Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 47
Текст из файла (страница 47)
В Физика полупроводниковых структур Коэффициент диффузии имеет размерность Гсм /с1. При комнатной температуре для герь~ания и арсенида галлия коэффициенты диффузии равны, соответственно; Оо,. = 90 см /с, з О,яьь = 220 см /с. Для кремния коэффициент диффузии составляет всего лишь 38 см /с. диффузионная длина Е связана со временем жизни следующим соотношением: Е=Лт . (2.6) дрейфовые составляющие токов можно записать в виде: д// (7'„), = 9лй„Е = — г/лр„— д/У (уя) = ЧРйлЕ = 9/хйл —.
В сильных электрических полях происходит разогрев носителей тока. Энергия, получаемая носителями от электрического поля, не успевает рассеяться тепловыми фононами и температура носителей оказывается существенно выше температуры решетки. В этом случае говорят о горячих носителях, например, о горячих электронах. 2.4.
Барьеры и контакты 2.4.1. Барьеры на границе кристалла В соответствии с законом диффузии оценим время, за которое электроны мо~ли бы покинуть кристалл: /2 '/й р' где / — характерный размер кристалла, /Э вЂ” коэффициент диффузии. С помощью соотношения Эйнштейна коэффициент диффузии, например, для золота оценивается величиной 0,75 см /с; при подвижности носителей р = 30 см /В время составит г„„,/„/, -- 1,3 с. Однако все электроны в этом случае остаются в кристалле. Это объясняется тем, что на границе раздела твердое тело — вакуум существует потенциальный энергетический барьер, препятствующий выходу электронов в окружающую среду. Чтобы преодолеть потенциальный барьер, электрон должен обладать энергией, превышающей значение работы выхола электрона из твердого тела.
сооша выхода представляет собой энергию, которая затрачивается при возбуждении эзектронов для их вывода из твердого тела в вакуум. Работа выхода электронов из твердого тела для различных веществ колеблется в пределах от 1 до 6 эВ, и существуют раз"ые методики ее определения. На а Работу выхола электронов из полупроводников сильно влияют явления на границе Р~здела "полупроводник †ваку".
к ис Ристалл полупроводника характеризуется регулярной структурой, которая нарушается гшиж ' "'ке к границе раздела. Резко нарушаются и условия связи между валентными электронам ми, приналлежащими приповерхностным атомам. Обрыв кристаллической решетки снос ".
осооствует т~оявлению дополнительных энергетических уровней. Эти поверхностные ссссо стояния получили название уровней. Такие уровни характерны лля атомарно чистой лове верхности, на которой отсутствуют посторонние атомы. Часть О. >Иикроалектроника 220 В реальных условиях поверхность всегда покрыта слоем адсорбированных атомов, окислов и т. п. На поверхности всегда существуют структурные дефекты: искажения решетки, вакансии и т.
д Совокупность или спектр поверхностных состояний реальной поверхности можно ме нять изменяя окружающие условия и 1или) способы обработки поверхности. В зависимости от того, какой тип поверхностных состояний имеет место (донорный или акцепторный), соответствугошим образом булет заряжаться и поверхность твердого тела, Если на поверхности полупроводника п-типа проводимости преобладают акцепторньге состояния, то поверхность будет захватывать электроны из объема полупроводника, при летающего к поверхности, и поверхность в этом случае будет заряжена отрицательно.
В приповерхностной области образуется слой, обедненный электронами, и, соответственно,заряженныи положительно. Таким образом, на поверхности полупроводника возникает двойной заряженный слой Поле этого слоя будет препятствовать выходу электронов из кристалла. На рис. 2.8 представлена энергетическая диаграмма полупроводника л-типа. Поле двой. ного слоя максимально вблизи поверхности ртыдела и уменьшаю ся ло мере удаления вглубь кристалла. Рис.
2.8. Энергетическая диаграмма границы раздела "полупроводник и-типа †ваку" при отрицательном заряде не поверхностных состояниях Черточки на границе раздела соответствуют энергетическому положению поверхностных уровней в запрешеннон зоне Е,— объемный Лонорныи уровень На диаграмме видно, что зоны изгибаются: электроны отталкиваются от границы разде~~ в то время как дырки притягиваются.
Величину гр, называют поверхностнылг потенциа лом, гр — работой выхода электронов из кристалла, а т — электронным сродством. Рассмотрим случай. когда на поверхности полупроводника и-типа будут преобладать до норные поверхностные состояния. Отпав электроны, такие состояния будут заряжены положительно и будут пргпягиват ть электроны из объема крист:шла, В то >ке время дырки будут отталкиваться и уходи ить вглубь кристалла. На поверхности кристалла возникнет слой, обогащенный электронаьш ые Раоота выхода элелтронов из такого кристалла б>лет меньше, чем если бы поверхности" состояния отсутствовали. ггу г бэканна ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СтРУКтУР На рис. 2.9 представлена энергетическая диаграмма границы раздела "полупроводник ,гпа — вакуум" с положительным суммарным зарядом поверхностных состояний.
Рис. 2.9. Энергетическая диаграмма границы раздела "попупроводних р-тнпв †ваку" с положительным суммарным зарядам поверхностных состояний В этом случае зоны изгибаются вниз. Наблюдается приток электронов к поверхности и, соответственно, отток дырок вглубь кристалла. Работа выхода электронов или энергия, затрачиваемая на возбуждение н вывод электрона из полупроводника в вакуум, зависит от типа проводимост'и и уровня легирования полупроволника, а также от спектра поверхностных состояний.
Отрицательньгй заряд поверхностных уровней увеличивает работу выхода электронов, а положительный — уменьшает се. 2.4.2. Электронно-дырочные переходы На границе р- и и-областей создается энергетический барьер, который является основой всех полупроводниковых элементов и компонентов. Нолупроводггггк р-типа проводимости представляет собой отрицательно заряженные акцепторы, неподвижно закрепленные в кристаллической решетке и положительно заряженные лырки, способные переносить заряды и формировать электрический ток. Оггупроаодник и-типа проводимости, напротив, содержит положительно ионизироаанггые 'ь'е дшюры, неподвижно закрепленные в решетке и отрицательно заряженные электроны Рояодимости (рис 2,10, а1 Если -слгт соединить полупроводники р- и и-типов проводимости, то произойдет ряд физических процессОВ. Когг ' цент'Рации носителей в полупроводниках различного типа проводимости отличаются на нес .
несколько порядков. Различают и — -р- или р --п-переходы, где верхний индекс "ь" Сооге ветстаует слою со значительно большей концентрацией. расом . могрим переход р — — и в равновесном состоянии, когла внешнее электрическое поле 'тсугст ° ствует. Поскольку концентрация дырок в р'-области выше, чем концентрация злекронов ов в п-области, то возникнет процесс диффузии дырок нз р-областп в и-область и соотве ветствУюший ток диффУзии бхмя. ОдновРеменно начнетсЯ диффУзиЯ электРонов х поев. Р Область и возникнет ток диффузии 1е„„„1рис.
2.10, бй Встречная диффузия приведет явггснию в и-областн нескомпенсирояанных положительных зарядов ионов донорной Часть П. )т)икроэлектроника ггг примеси. Одновременно в р-областн возникнет отрицательный заряд ионов акцепторпон примеси. Донорные и акцепторные атомы жестко связаны с кристазлической решеткой В результате у границы р- и и-областей образуется лаойной электрический слой простран огненного заряда. Поле этого двойного электрического слоя создает потенцназьный барь ер, препятствующий дальнейшей диффузии дырок в и-областгн а электронам в р-область, б) а) в) г) Рис. 2.10. Этапы формирования пствнциальнсга барьера на границе р — п-перехода В то же время в приконтактной зоне происходит интенсивная рекомбинация носителей заряда.
Слой обедняется носителями заряда. Когда процесс рекомбинации завершится, то в обедненном слое установится термодинамическое равновесие, и суммарный полоткительный пространственныйг заряд будет в точное~и равен суммарному отрицательному заряду (рис, 2.10, и), другими словами, диффузионные токи стануг равными )„„,)„, --.
),.) я. Разность потенциалов, возникающая между р- и п-областямн сдвигает электрические уровни в областях на величину, равную разности уровней Ферми в полупроводниках различного типа проводимости (рис. 2.10, а). В такой ситуации электрону нз п-области, ч'го бы попасть в р-область, необходимо преодолеть разность потенциачов (электрическ"й барьер), равную гр,„,. Такой же барьер нужно преодолеть и дырке, чтобы полает~ в п-область.
Значение где Ег — ширина запрещенной зоны. ости Таким образом, на границе контакта полупроводников различного типа проводимо авля' ооразуется Р--и-перехол. Толщина Лт„„двойного электрического слоя перехода сосга -5 ет 1О" — 10 ' см, а напряженность встроенного электрического поля Б, = -ьгаг)(гр,,»). тге. Если к р--и-перехолу приложить внешнее электрическое поле, то система прилег в ,гет равновесное состояние. Повышение или понижение потенциального барьера за "' внешнего электрического поля приводит к возникновению тока диффузии и дрейфа. 223 2 Физика полупроводниковых структур рассмотрим два случая. Приложим к р — и-переходу электрическое поле таким образом, |тобы плюс внешнего и~~очипка прихолился на р-, а минус — - на и-области.
В этом случае говорят о прямом ;почеши р — п-перехода, а напряжение называется прялш|и гиащеяяеч (рис. 2.11, а). уок, протекаюший через р — п-переход, называется прял|л|л|. Внешний источник с постоянным напряжением (/и, создает в р — п-перехоле электрическое поле Е,,„противоположного направления относительно внутреннего поля Ез р — п-перехода. результируюшее поле в р — и-переходе ослабляется, и потенциальный барьер |р снижаегся на величину (/к В этом случае распределение потенциача в р- -п-переходе по координате х показано сплошной линией.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
