А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Для придания им электронной проводимости в кристалл полупроводника вводят атомы доноров, которые отдают "лишний" электрон в зону проводимости, а сами становятся положительными ионами, не принимающими участия в проводимости кристалла. Для придания дырочной проводимости в кристалл вводят атомы акцепторов. Они "захватывают" электроны из валентной зоны полупроводника, образуя там положительную вакансию — дырку, которая при наличии внешнего поля может перемещаться по валентной зоне.
Сам атом акцептора после захвата электрона становится отрицательным ионом и, так же, как ионизнрованный атом донора, не принимает участия в проводимости кристалла. Образованные при этом свободные носители тока — электроны и дырки — называют основными и обозначают и„— электроны в электронном полупроводнике, легированном донорами, и р„— дырки в дырочном полупроводнике, легированном акцепторами. Кроме основных, носителей в полупроводнике всегда присутствует небольшое количество не- основных носителей, соответственно р„— дырок в электронном полупроводнике и и„ вЂ” электронов в дырочном.
В состоянии термодинамического равновесия между указанными концентрациями всегда выполняется условие п„р„= р,п = р,п, = и,, где п; и р, — собственные концентрации электронов и дырок (и, = р,) в беспримесном полупроводнике, Величина и; зависит от типа полупроводника (ширины запрещенной зоны) и температуры. Например, при Т = 300 К для Ое и, = р, 2,5 10о см ', для Гй 2 10м — ю О А 10~ -з Важная информация о свойствах кон- в) б) тактов может быть получена из энергетической диаграммы для свободных носите- р р М Е р р а р лей !1 — 4).
Для построения этой диаграммы с и' необходимо ввести единое начало отсчета и~ энергии. За такое начало И' = 0 прини- и~(о) мают энергию, соответствующую энергии электрона, который преодолел работу вы- %' хода из данного вещества и перешел в вакуум с нулевой начальной скоростью, В фи Рис.4.!2. Днаграммыэнергетическихуровней в зике твердого тела термодинамическая, или твердом теле: а) в металле; б) в полупроводнике внуяюренняя рабогна выхода Рг отсчитывается от И' = 0 до уровня Ферми И'г (рис. 4.12), который соответствует средней энергии частиц (электронов, дырок) в объеме данного тела. Энергетическую диаграмму для металла обычно изображают одной горизонтальной линией (рис. 4.12, а), соответствуюшей уровню Ферми И"г.
Уровни ниже И'г заштриховывают, указывая тем самым, что они полностью заняты, а уровни выше И'г свободны. В полупроводниках (рис. 4.!2, б) вводят понятие сродства к элекяюрону или внеиюней рабонюм выхода Р,, которую отсчитывают от )Р = 0 до дна зоны проводимости И;. Это связано с тем, что в полупроводнике уровень Ферми проходит в запрещенной зоне (ЬИ'), где нет электронов. Поэтому энергия Р„, равная термодинамической, или внутренней работе выхода, соответствует только средней энергии частиц, но не равна реальной работе выхода Р,. В отличие от Р, = сола Р, не является константой, так как зависит от концентрации, типа примеси и температуры. Одинаковые материалы имеют одинаковое сродство к электрону, для разных материалов эта величина может различаться в'пределах от 3 до -. 5 эВ.
В электронике твердого тела различают три вила контактов (переходов). !. Гомопереходы — контакты, образованные двумя полупроволнпкамп (нлн пзозягорами). обладающими озинаковымн срозствоч к электрону Р,. диэлектрической Глава 4. Нелинейные активные и пассивные элементы проницаемостью е и шириной запрещенной зоны ЬИ', но легированными примесями разного типа или в разной степени. 2.
Переходы Шотчки, образованные контактом металл — проводник или металл— изолятор. 3. Гетеропереходы — контакты, образованные двумя различными полупроводниками (или изоляторами), имеюшими разные значения сродства к электрону, диэлектрической проницаемости и ширины запрещенной зоны. Переходы, образованные между полупроводниками с одним типом проводимости (п — и+, р-р+), называются изотипными, а между полупроводниками с различным типом проводимости (р-и, и-р ) — анизотипными.
Осуществить идеальный контакт за счет непосредственного соприкосновения двух тел невозможно, поскольку на поверхности любого твердого тела всегда присутствуют атомные слои, обладаюшие диэлектрическими или полупроводниковыми свойствами, которые оказывают существенное влияние на характеристики контакта. Поэтому реальные контакты (переходы) образуются в результате довольно сложного технологического процесса. 4.5. Полупроводниковый диод (р-л-переход) На практике р — п-переход образуют в процессе выращивания кристалла из расплава, содержащего различные примеси, вплавления или диффузии примеси другого знака в полупроводниковую подложку. Кроме этого широко используют зпитаксильное выраи1ивиние слоев разного типа проводимости из жидкой или газовой фазы на полуизолируюшей или сильнолегированной подложке полупроводника.
При построении энергетической диаграммы гомоперехода нет необходимости отсчитывать энергию от уровня свободного электрона Иг = О, поскольку оба полупроводника имеют одинаковое сродство к электрону, диэлектрическую проницаемость и ширину запрещенной зоны. В этом случае достаточно провести горизонтальную линию, соответствуюшую уровню Ферми (рис. 4.13), а затем нанести по обе стороны от нее границы соответствуюших зон для полупроводников типа р и и. В результате такого построения в узкой переходной области г( границы зон Иг,, и Иг, будут претерпевать "излом*', величина которого, выраженная в вольтах, называется равновесной разностью потенциалов у>о = у,/е.
Абсолютное значение д, равно разности термодинамических работ выхода из р- и п-полупроводников. И Диаграмма на рис. 4.13 соответствует термодинамическому равновесию. В узком слое шириной г( практически нет подвижных носителей, так как они вытеснены сильным контактным электричегь' ским полем Е = Ф/4. Поэтому удельное сопрос тивление слоя шириной г( очень велико. По этой причине р — и-переход называют контактом с запорным слоем. Как следует из рис. 4.13, Р, = — ~ЬИ вЂ” (>,И,„+ Ьи,„)], 1 е где ЬИ'гр — расстояние уровня Ферми от потолка валентной зоны в р-полупроводнике, а Ьигг„— расстояние уровня Ферми от дна зоны проводимости в п-полупроводнике. рпс. 4 13 Энергетическая диаграмма Если воспользоваться выражениями, связывар — и-гомоперехоза в состоянии равно- юшими Лиг, ЬИ'г„и ЬИ"г„с концентрацией весия доноров Хо' и акцепторов На (см.
[6 — 9]). то при 4.6. Пол проводниковый диод -л-переход) комнатной температуре (Т, = 300 К) для равновесной разности потенциалов получим ИТО р,п. ф, = — !н —" е и' (4.5) где ЙТ, 0,025э — энергия теплового движения при Т, = ЗООК; !г — постоянная Больцмана; е — заряд электрона (дырки); р, = Ха; п„Хс).
Например, для Сге при значениях р„= 1О"см ', п„= 10"см ' гД, 0,3 В, для 5!в 0,6 В, а для Сгайз — 1 В. Из рис. 4.13 следует, что значение г(г, не может быть больше ширины запрещенной зоны: для Сге 0,7 эВ, для Б! 1,1 эВ, для СгаАз — 1,4 эВ. р -ч — и -х О -х г Рис. 4.14. Энергетическая диаграмма р — и- перехода, смешенного впрямом направлении Рис. 4.15. Энергетическая диаграмма рп-перехода, смещенного в обратном напра- влении р„(0) = р„ехр ЛУ, п,(0) = п„ехр йУ, где й = е!'кТ. (4.6) Если к р-п-переходу приложить напряжение сг в прямом направлении — "+" к области р и "—" к области и, то внешний источник окажется включенным навстречу равновесной разности потенциалов Фг и высота потенциального барьера (рис. 4.14) уменьшится и станет равной (у, — есГ).
В результате уменьшится поле в переходе Е = ~" и через р — п-переход потечет большой прямой ток, связанный с диффуа зией неосновных носителей — дырок р„в п-область и электронов п„в р-область. Если изменить полярность внешнего напряжения на обратную (" —" на р-область и "+" на п-область), то высота барьера увеличится до значения (гг, + еУ).
В этом случае (рис. 4.15) встречные диффузионные потоки неосновных носителей прекратятся и останутся лишь две дрейфовые составляюшие, обусловленные переходом электронов п„и дырок р„соответственно в и- и р-области, где они оказываются основными носителями. В физике твердого тела вводятся два определения типа инжекции. Инжекция, при которой проводимость осуществляется носителями обоих знаков, называется биполярной, а инжекция, при которой проводимость осушествляется носителями только одного знака, — мололсллриой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
