Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 19
Текст из файла (страница 19)
1.5. Эле физические свойства полупроводниковых материалов Поверхностная концентрация электронов и дырок в этом случае может быть рас- считана по формулам (1.42) и (1,43), которые принимают вид Е,„— Е„ л =лехр КТ -(Ем — Е„) р, = л,ехр где Еь — энергетический уровень, соответствующий середине запрешенной зоны на поверхности полупроводника. На поверхности полупроводника сохраняется равновесное состояние, то есть выполняется условие п,р, = и,.'. Поэтому увеличение концентрации электронов вблизи поверхности сопровождается уменьшением концентрации дырок. Аналогичным образом образуется обогащенный дырочный прнповерхностный слой при наличии на поверхности дырочного полупроводника отрицательного поверхностного заряда. Если на поверхности электронного полупроводника преобладают акцепторные уровни, то она заряжается отрицательно.
При этом электроны выталкиваются с поверхности вглубь кристалла, в результате чего образуется обедненный электронами приповерхностный слой, концентрация электронов в котором ниже, чем в объеме полупроводника (рис. 1.59, Б), и границы энергетических зон изгибаются вверх. При очень высокой плотности акцепторных уровней на поверхности электронного полупроводника может возникнуть инверсный дырочный слой, концентрация дырок в котором выше концентрации электронов (рис, 1,59, в). Аналогичный процесс происходит на поверхности дырочного полупроводника при высокой концентрации донорных уровней. Наличие дефектов кристаллической структуры ведет к появлению вблизи середины запрещенной зоны энергетических уровней, через которые происходит рекомбинация носителей заряда.
Таких рекомбинационных центров на поверхности полупроводника больше, чем в объеме, поэтому скорость поверхностной рекомбинации больше скорости объемной рекомбинации. При малых размерах кристалла поверхностная рекомбинация существенно уменьшает эффективное время жизни носителей заряда, определяемое по формуле 1/т, =1/т„+1/т„ где т, — время жизни в объеме полупроводника; т, — время жизни на поверхности полупроводника.
Плотность поверхностных состояний может изменяться с течением времени из-за испарения или конденсации влаги на поверхности кристалла, возможных миграций адсорбированных примесей на поверхности и т. п. Эти процессы, приводящие к изменению эффективного времени жизни носителей зарядов, могут являться причиной нестабильности параметров и характеристик полупроводниковых приборов. Глава 1. Электрофизические свойства радиомвтериалов 1.6. Контактные явления в радиоматериалах Контактные явления в металлах Рассмотрим процессы, происходящие при осуществлении контакта двух металлов, обладающих разной работой выхода.
Напомним, что под работой выхода понимают работу,' затрачиваемую на то, чтобы удалить электрон, находящийся на уровне Ферми, в бесконечность. Пусть в изолированном состоянии энергия Ферми, отсчитываемая от дна зоны проводимости, в металле А характеризуется значением Е„"а в металле  — значением Еэ (рнс. 1.60, а). Работы выхода, соответственно, имеют значения Е," и Еэ„„. При осуществлении контакта таких металлов электроны металла В начинают переходить иа более низкие свободные уровни металла А. При этом металл А заряжается отрицательно, а металл  — положительно.
Появление этих зарядов вызывает смещение энергетических уровней металлов: в металле А все уровни сдвигаются вверх, а в металле  — вниз относительно своих положений в исходном состоянии. Как только непрерывно повышающийся уровень Е„"и непрерывно понижающийся уровень Е, 'окажутся на одной высоте (рис. 1.60, 6), процесс перехода электронов из одного металла в другой прекратится и между металлами восстановится динамичное равновесие. При этом между нулевыми уровнями контактируемых металлов установится разность потенциалов (~лв = ГЕ,"„„- Е,„„)/Ч.
Эту разность потенциалов, обусловленную разностью работ выхода электронов из контактируемых металлов, называют внешней контактной разностью потенциалов, 1.6. Контактные явления в рвдиоматеривлвк В месте контакта металлов всынцдвет.двойдой эдектрический слой телщиной г(, который можно рассматривать как йлоский койденсатор, обладающий удельной емкостью С = е,/И, Между обкладками конденсатора действует, внутренняя контактная разность потенциалов ~р„= (Е„' — Е," )(д . Учтем, что разность потенциалов е„между обкладками и заряд Я на обкладках конденсаторв~йпязаны соотно'- шением С = Ц/гр„.
Тогда Я/~р„= е /И, откуда получаем к екгр» (2 ' Толщина двойного слоя И не может быть меньше периода решетки а ~ 0,3 нм при е, 1. Такой слой может возникнуть при переходе с каждого квадратного метра металла В в металл А электрического заряда, значение которого Я 0,885 10 н/0,3 1О ' ** = 3 10 ' Кл, что соответствует переходу н = Я/д и 3 10 '/1,6 10-" 2 10" электронов. Поверхностная плотность атомов составляет около 10е м '.
Полагая, что каждый поверхностный атом отдает по одному электрону, нетрудно установить, что для возникновения двойного слоя предельно малой толщины требуется перетекание с контактной. поверхности,однега металла на контактную поверхность другого всею лишь' 2 % свободных электронов. Столь незначительное изменение концентрации свободных электронов в контактном слое и малая толщина этого слоя по сравнению с длиной свободного пробега электронов не оказывают существенного влияния на электропроводность этого слоя па сравнению с электропроводностью контактирующих металлов. Электронно-дырочный переход Электронно-дырочным переходом„нли р-п-переходом, называют переходный слой, возникающий при контакте двух полупроводников с различным типом электропроводности.
Получить р-и-переход непосредственным соприкосновением двух полупроводников практически невозможно, так как на их поверхности содержится огромное количество примесей, загрязнений и всевозможных дефектов, резко меняющих свойства полупроводника Для создания р-п.-переходов используют различные технологические приемы, изменяющие. тнп эдектропроводностн той нли иной области монокристалла. Например, путем диффузии в монокристалл р-типа донорных примесей можно получить в нем область я-типа (рис. 1,61, а), расположенную левее сечения х .
Широко применяют также выращивание на поверхности кристалла монокристаллического слоя, повторяющего кристаллографическую ориентацию кристалла, но имеющего противоположный тип эяекгропроводности (рис; 1.61, б), такие слои называют эпитаксиальными. Границу хе разделяющую н- и р-области монокристалла, называют металлургической границей. Если на границе раздела концентрация примесей скачком изменяется от йГ, к )т' что имеет место при эпитаксиальном наращивании слоев, то такой переход называют резким.
Если вблизи металлургической границы концентрация примеси изменяется плавно, что имеет место при диффузии примеси, то такой переход называют плавным. Глава 1. Электрофнзические свойства радиоматериалов Ка б и с.т.вт Если л- и р-области каким-либо образом разделены, то их энергетические диаграммы имеют вид, показанный на рис. 1.62, а. В этом случае уровни Ферми разнесены на величину Е„, = Е„„— Егк При осуществлении металлургического контакта между и- и р-областями (рис.
1.62, б) вследствие различия концентраций однотипных носителей заряда возникают диффузионные потоки электронов из и-области в р-область и дырок из р-области в и-область. При этом и-область заряжается положительно, а р-область отрицательно, что приводит к понижению всех энергетических уровней, в том числе и уровня Ферми в л-области, и повышению нх в р-области. Диффузия электронов слева направо и дырок справа налево происходит до тех пор, пока постепенно поднимающийся уровень Ферми в р-области не установится на одной высоте с постепенно опускающимся уровнем Ферми в л-области.
В результате энергетическая диаграмма примет вид, показанный на рис, 1.62, в, при этом на границе раздела образуется энергетический барьер, высота которого равна разности уровней Ферми в неконтактируемом состоянии полупроводников: Е„. = Е,„— Е,, = МТ 1п — ", ' . М,Х, (1.75) Следствием диффузионного перемещения электронов и дырок является уменьшение нх концентрации вблизи границы раздела х, (рис. 1.62, г), в результате чего между сечениями х„и х, образуется обедненный подвижными носителями заряда слой, в котором расположены положительные заряды доноров и отрицательные заряды акцепторов (рис.
1.62, д). Эти заряды создают внутреннее электрическое поле, препятствующее диффузии электронов и дырок. Значения этих зарядов таковы, что обеспечивают равенство уровней Ферми в контактнруемых областях. Электрическое поле, создаваемое зарядами доноров и акцепторов, характеризуют высотой потенциального барьера <р, напряженностью поля Е(т) и распределением потенциала у(х).
Высота потенциального барьера связана с высотой энергетического барьера соотношением Е„. М~М, у, = — — "' =-и,1п Д Ю (1.76) 1.6..Контактные явления в радиоматерналах "' Ерр хр,' ,хр х р Е(х) Ерр е -1р(х) 4Д+ ,'— > хр хр Рне. 1.62 Для нахождения распределения потенциала (р(х) и напряженности поля с(х) воспользуемся уравнением Пуассона: (1.77) Учтем, что концентрация подвижных носителей в р-л-переходе существенно меньше концентРации пРимесных атомов Ир и о(„. Тогда длЯ и-области Р(х) = 7Д а а для р-области р(х) = — р)Ж,. Проинтегрируем уравнение Пуассона раздельно для и- и р-областей.
Для л-области (х, < х < х,) Ж(х) = — (х- х,). (7ЖО еое (1.78) (1.79) То есть распределение напряженности поля в переходе выражается кусочно-линейной функцией (рис. 1 62, е). Она равна нулю при х > х, и х < х, и максимальна при х =«О 4ш = — («0 -«а) = (Хр -«0) И~О ~Ф (1.80) еое еое Интегрируя Ж(х) в интервале от х, до х„получим (рункцию распределения потен- циала (р(х) в этой области: (р(х) = (р(х„) — — (х - х„) . (7 0(а О геео (1.81) Интегрируя Ж(х) в интервале от «о до хи получим (р(х)=(р(х )+ — '(х — х) .
(Ф» геео (1.82) Следовательно, функция (р(х) состоит иэ двух параболических участков и имеет точку перегиба при х = х, (рис. 1.62, ж). Для нахождения ширины перехода Ьо = (», — х„) приравняем (1.81) и (1.82) при х = х,. Тогда, учитывая, что ф(х.) — ф(хр), ф„„получим: (рао = (хо х ) + («р хо) ° ФО З (Ф. а (1.83) гсео " геео Учитывая (1.80) и то, что Ьо = (х, — х,) + (х, - 4), получиьс »О,О» -*.(»О.(, - а( ' (1.84) Отсюда получим: х гр ее О а Ф~ФО ' (1.85) 2(р.оеео хр ха= (Ф» ~О (1.86) Следовательно, Оо =(«0 Ха)+(Х «0)= — +— 2фаоеео( 1 1 1 (1.87) Для р-области (хо < х < х,) Ж(х) = — '(х, — х). ()Ф, еое Глава 1.
Эле изичеащее свойства омате иалоа 1.6. Контактные явления в радноматериалах Из уравнений (1.85) и (1.86) следует, что при Жз = Ж„выполняется условие х, — х„= = х, — х, Такой переход называют симметричным. Если У, и Ж„, то такой переход называют несимметричным. В этом случае переход оказывается сдвинутым в область с более низкой концентрацией примесей. При Ж, » У„уравнение (1.87) принимает вид 29кзеео 7Д~„ (1.87а) При Х, <( Ж, уравнение (1.87) принимает вид 2'р оеео дЖ (1.87б) <р„= ф„, — и.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
