Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Для их осуществления необходимо, чтобы занятым энергетическим уровням в одной зоне противостояли свободные энергетические уровни в другой. Если сделать допущение, что все энергетические уровни, расположенные ниже уровня Ферми, заняты электронами, а уровни, расположенные выше уровня Ферми, свободны, то при отсутствии внешнего напряжения туннельные переходы не происходят. Если к переходу приложить прямое напряжение, то правая часть энергетической диаграммы сместится вниз относительно левой и занятым уровням зоны проводимости будут противостоять свободные уровни валентной зоны, в результате чего создадутся условия для туннельных переходов из л-области в р-область. По мере увеличения прямого напряжения будет возрастать поток 5 и, соответственно, прямой туннельиый ток, Так будет продолжаться до тех пор, пока потолок валентной зоны Е„дырочного полупроводника не совпадет с уровнем Ферми электронного полупроводника (Е = Ер,).
При этом поток 5 будет максимальным. Дальнейшее увеличение прямого напряжения будет смещать уровень Е„„ниже уровня Е,. При этом ширина области перекрытия зон, в пределах которой происходят туннельные переходы, будет уменьшаться. Поэтому будут уменьшаться поток 5 и прямой туннельный ток. Когда уровень Е окажется напротив уровня Е,„, туннельные переходы прекратятся, Наряду с туйнельными переходами в структуре существуют обычные переходы через потенциальный барьер. По мере роста прямого напряжения барьер снижается и потоки 1 и 3 возрастают.
Прямой ток создается суммой потоков 1, 3 и 5, поэтому в области прямых напряжений вольтамперная характеристика имеет вид, показанный на рис, 1.65, б. На ней имеются характерные пик и впадина. Чем больше концентрация примесей, тем больше 1ОЗ 1.6. Контактные явления е рациоматериалак отношение тока пика 1, к току впадины 1,. Практически это отношение лежит в пределах от 5 до 10. При подаче на р-л-переход обратного напряжения энергетический барьер в переходе возрастает, правая часть диаграммы сдвигается вверх относительно левой, и возникают обратные туннельные переходы (поток 6) с энергетических уровней валентной зоны на свободные уровни зоны проводимости, что ведет к возрастанию обратного тока.
Контакт полупроводника с металлом При осуществлении контакта полупроводника с металлом возникает диффузия носителей заряда из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода, в результате чего происходит выравнивание уровней Ферми. В зависимости от соотношения работ выхода полупроводника и металла контакт между ними может быть выпрямляющим и невыпрямляющим (омическим). Выпрямляющий контакт образуется при контакте электронного полупроводника с металлом при условии, что работа выхода полупроводника Е,„меньше работы выхода металла Е,„, а также при контакте дырочного полупроводника с металлом при условии, что работа выхода дырочного полупроводника Е больше работы выхода металла Е, . рассмотрим выпрямляющий контакт электронного полупроводника с металлом. На рис.
1.66, а представлены энергетические диаграммы полупроводника и металла при отсутствии контакта между ними. Если зти материалы привести в состояние контакта, то вследствие обмена носителями заряда произойдет выравнивание уровней Ферми, полупроводник зарядится положительно, а металл отрицательно. При этом положительный заряд, представляющий собой заряд ионизированных доноров, займет в полупроводнике некоторый слой толщиной Ь„а отрицательный заряд будет сосредоточен на поверхности металла (рис.
1.66, 6). Вследствие этого энергетическая диаграмма примет вид, показанный на рис. 1,66, в, где представлены графики энергетических плотностей электронов Г„(Е) и дырок Г,(Е). Под энергетической плотностью дырок в металле следует понимать энергетическую плотность свободных энергетических уровней, расположенных ниже уровня Ферми.
При отсутствии внешнего напряжения существуют энергетические барьеры 41Ф для электронов и 4)Ч'для дырок, при этом в ходе теплового движения происходит обмен носителями заряда между металлом и полупроводником, при котором потоки электронов 1 и 2 и потоки дырок 3 и 4 уравновешивают друг друга. Если к контакту приложить внешнее напряжение плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, то барьеры снизятся на величину приложенного напряжения и потоки 1 и 3 возрастут, а потоки 2 и 4 не изменятся. При противоположной полярности потоки 1 и 3 исчезнут, и через контакт будут перемещаться только небольшие по величине потоки 2 и 4.
Токи, создаваемые потоками носителей заряда, можно определить, рассматривая процесс обмена носителями заряда как электронную эмиссию: А Ттехр Ч о 'кТ = АТ ехр— Ч о 4 Р йТ 1О4 Глава 1. Электрофизичаскиа'свойства радиомате иалов 1 ! Ерп, Тогда 'яТ ~ и, г, =АТоехр ~~ о =о ехр — — 1 . йт Результирующий ток будет равен и 1 = 1, + 1о = 1о ехр — -1, и, где оо 1о.+оо . Таким образом, рассматриваемый контакт обладает выпрлиительными свойствами: он хорошо пропускает ток в прямом направлении и плохо в обратном 105 1,6. Контакгные явления в омате иалах ' направлении. В реальных структурах потоками 3 и 4 можно пренебречь ввиду их малости. В этом случае инжекции дырок в л-полупроводник не происходит, а заряд электронов, вводимых в металл, сосредоточивается на поверхности металла.
В отсутствии инжекции состоит принципиальное отличие выпрямляющего контакта полупроводника с металлом от обычного электронно-дырочного перехода, Такой выпрямляющий контакт находит применение в диодах Шотки. Невыпрямляющий контакт образуется при контакте электронного полупроводника с металлом при условии, что работа выхода полупроводника Е больше работы выхода металла Е (рис. 1.67, а), а также при контакте дырочного полупроводника с металлом при условии, что работа выхода полупроводника Е, меньше работы выхода металла Е, .
Ег» В случае невыпрямляющего контакта электронного полупроводника с металлом вблизи границы раздела в полупроводнике накапливаются основные носители заряда (рис. 1.67, б) и образуется обогащенный слой, что сопровождается искривлением вниз границ энергетических зон (рис. 1.67, в). Поэтому в ходе теплового движения все электроны полупроводника могут переходить в металл (поток 1), а электроны металла, энерпи которых больше Е,„, могут переходить в полупроводник (поток 2). При отсутствии внешнего напряжения потоки 1 и 2 уравновешивают друг друга, поэтому ток через контакт равен нулю.
Если на контакт подать 1О6 Глава 1. Электрофизичеокие свойства радиоматериалов внешнее напряжение плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, то правая половина энергетической диаграммы сместится вниз относительно левой диаграммы и количество электронов, переходящих из полупроводника в металл, возрастет, поэтому возрастет прямой ток, создаваемый разностью потоков 1 и 2. При противоположной полярности внешнего напряжения возрастает переход электронов из металла в полупроводник (поток 2), поэтому возрастает обратный ток.
Таким образом, рассматриваемый контакт одинаково хорошо пропускает ток в прямом и обратном направлениях. При этом следует иметь в виду, что ток через контакт возникает при весьма незначительном приложенном напряжении. Это объясняется тем, что в отличие от обычного р-л-перехода при и = О существуют большие потоки 1 и 2, компенсирующие друг друга, которые сильно изменяются при незначительном изменении напряжения, то есть контакт обладает небольшим омическим сопротивлением. В полупроводниковых приборах невыпрямляющий контакт металла с полупроводником применяют для осуществления внешних выводов от полупроводникового кристалла.
При этом невыпрямляющий контакт, обладающий низким сопротивлением, включают последовательно с выпрямляющим р-п-переходом, обладающим высоким сопротивлением. Поэтому практически все внешнее напряжение оказывается приложенным к р-л-переходу, и падением напряжения на невыпрямляющем контакте можно пренебречь. В микроэлектронике наиболее распространенным металлом для невыпрямляющих контактов является алюминий, работа выхода которого меньше работы выхода электронного полупроводника.
В этом случае для осуществления невыпрямляюшего контакта электронного полупроводника с металлом поверхность кремния дополнительно легируют донорами, превращая ее в л'-слой. Концентрация электронов в соответствии с (1А2) определяется разностью между уровнем Ферми и уровнем Е,. Чем больше концентрация легирующей донорной примеси, тем ближе к нижней границе зоны проводимости расположен уровень Ферми, поэтому энергетическая диаграмма контакта принимает вид, показанный Рис. 1.68 107 1.6.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
