11_semi2_2018_apr15 (1182303), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Для возникновения такого эффекта необходимо добиться узости промежутка, вкотором происходит изгиб зон, что требует применения сильно легированныхполупроводников.Наконец, заметим, что выпрямляющее действие p-n перехода оказывается однозначнымследствием изгиба зон. Изгиб зон возникает вследствие различия положения химпотенциалав соединяемых полупроводниках. Следовательно, при повышении температуры, когдастановится главным вклад собственных носителей заряда и химпотенциал смещается кцентру запрещённой зоны, выпрямляющее действие p-n перехода пропадёт. Грубой оценкойтемпературы, пр которой это произойдёт, является совпадение концентрацией примеси сконцентрацией термоактивированных собственных электронов в зоне проводимости (илисобственных дырок в валентной зоне).Туннельный диод: отрицательное дифференциальноесопротивление.Вкратце остановимся на особенностях вольт-амперной характеристики туннельного диода.За экспериментальное изучение туннелирования носителей заряда в полупроводниковомконтакте Л.Есаки была присуждена Нобелевская премия по физике 1973 года [9].
Отличиемтуннельного диода от рассмотренного выше p-n перехода является сильное (в работахЛ.Есаки использовались полупроводники с концентрацией примеси на уровне1018 … 1019 1 /см3 ) допирование обоих контактов. В результате ширина запорного слояуменьшается до 10 нм, а уровень химпотенциала смещается в зону проводимости вполупроводнике n-типа и в валентную зону в полупроводнике p-типа. Фактически,допирование оказывается настолько сильным, что полупроводник n-типа становится «почти»металлом с электронной проводимостью, а полупроводник p-типа - «почти» металлом сдырочной проводимостью.Энергетическая диаграмма такого диода строится аналогично рассмотренному случаю(рисунок 6).
При приложении прямого напряжения в отличие от обычного диода возникаетвозможность протекания тока при значениях напряжения меньших напряжения открытиядиода: может течь туннельный ток электронов из зоны проводимости сильно допированногоn-полупроводника в свободные состояния валентной зоны сильно допированного pполупроводника (рисунок 6-b). При увеличении напряжения так, что заполненный состоянияв зоне проводимости полупроводника n-типа уже не пересекаются со свободнымисостояниями в валентной зоне полупроводника p-типа, но и ещё не пересекаются сосвободной зоной проводимости полупроводника p-типа, ток должен пропасть (рисунок 6-c).При дальнейшем увеличении напряжения диод откроется и будет вести себя аналогичнообычному диоду. Если для простоты положить, что ширина полосы занятых состояний в зонепроводимости полупроводника n-типа совпадает с шириной полосы свободных состояний ввалентной зоне полупроводника p-типа E fn =E fp , то туннельный ток будет максималенпри определённом значении приложенного напряжения, когда эти полосы точно совпадают.При дальнейшем увеличении напряжения перекрытие начнёт уменьшаться и туннельный токстр.
15 из 2815.04.2018начнёт спадать. Таким образом, в области малых напряжений (меньших напряженияdI<0 (рисунок 6). Приоткрытия «нормального» диода) возникнет участок на которомdUобратной полярности включения при малых напряжениях ток через диод в основном такжетуннельный.Отрицательное дифференциальное сопротивление приводит к неустойчивости электрическойцепи, в которой такой элемент находится, и может использоваться для создания генераторов.Рисунок 6: (слева) Энергетические диаграммы туннельного диода при различных значенияхпрямого напряжения. (справа) Пример вольт-амперной характеристики туннельного диода,снятой при различных температурах.
Из нобелевской лекции Л.Есаки [9].стр. 16 из 2815.04.2018Контакт полупроводник-металл.Для того, чтобы проиллюстрировать построение энергетических диаграмм, рассмотримтакже контакт полупроводник-металл. Для определённости рассмотрим полупроводник nтипа.Рисунок 7: Схема энергетической диаграммы контакта полупроводник-металл. Верхний ряд(а, б): построение с постоянным уровнем энергии электрона в вакууме.
Нижний ряд (в, г):построение с постоянным уровнем химпотенциала. Слева (а, в): случай, когда энергияФерми металла попадает в зону проводимости полупроводника n-типа. Справа (б,г): случай,когда энергия Ферми металла попадает в запрещённую зону полупроводника n-типа.При контакте разнородных материалов возникает вопрос о выборе общего начала отсчётаэнергии. Правило Шоттки-Мота (аналог рассматриваемого далее правила Андерсона дляполупроводников с той же аргументацией и применимое только на качественном уровне, такстр. 17 из 2815.04.2018как не учитывает деталей поведения электронов вблизи поверхности контакта 8) подсказываетнам, что нужно принять для соединяемых материалов общий уровень энергии электрона ввакууме и отложить от него вниз работу выхода для металла (получим уровень поверхностиФерми) и сродство к электрону для полупроводника (получим дно зоны проводимости).В этом упрощённом подходе возможны два принципиально различных случая (рисунок 7):энергия Ферми металла попадает в запрещённую зону полупроводника или не попадает(попадает в зону проводимости или валентную зону).
В первом случае (рисунок 7-б) в металлперейдёт часть электронов с донорного уровня (мы рассматриваем полупроводник n-типа) ипоявится приповерхностный заряд положительно ионизованных примесей в полупроводникеи отрицательных избыточных электронов в металле. Во втором случае (рисунок 7-а)произойдёт или перетекание электронов из металла в зону проводимости или из валентнойзоны в металл и также возникнет приповерхностный заряд.Однако между этими двумя случаями есть принципиальное отличие, становящеесяочевидным в представлении энергетической диаграммы с постоянным уровнемхимпотенциала (рисунок 7-в, г). В обоих случаях возникает изгиб зон вблизи контакта. Нодля случая, когда энергия Ферми металла попадает в запрещённую зону изгиб зон таков, чтона границе возникает барьер для электронов (рисунок 7-г), высота этого барьера Δ можетизмеряться долями электронвольта — то есть быть много больше тепловой энергии, ширинабарьера определяется аналогично p-n переходу толщиной слоя ионизованных дефектов.
Еслипренебречь туннелированием под барьером, то ток через такой контакт будет течь только приприложении к полупроводнику напряжения определённой полярности (положительной понашему рисунку) и величиной большей U ≃Δ /e . Конечная температура, конечнаявероятность туннелирования сделают вольт-амперную характеристику более плавной, но онавсё равно останется нелинейной и будет обладать выпрямляющими свойствами 9 p-nперехода. Возникающий барьер называют барьером Шоттки, а работающий на этомпринципе диод — диодом Шоттки.
В случае же попадания энергии Ферми в зонупроводимости (или валентную зону) контакт получается безбарьерный, заметнойнелинейностью вольт-амперной характеристики не обладает и называется омическимконтактом.Получениеомическихконтактовнеобходимоприподключенииполупроводниковых приборов к внешним цепям, но, как видно из наших рассуждений,получение такого контакта требует специального согласования зонных структур металла иполупроводника и является часто отдельной технологической задачей.8 Во многих случаях на границе с металлом формируются дополнительные состояния внутри примесной зоны«подтягивающие» уровень химпотенциала в полупроводнике вблизи контакта на центр запрещённой зоны.Поэтому, в частности, нетривиальной технологической проблемой является формирование чисто омического(безбарьерного) контакта полупроводник-металл.9 Выпрямляющие свойства контакта металл-полупроводник известны с конца 19 века.
Одним изизобретателей этого типа диодов был Фердинанд Браун [10], нобелевский лауреат 1909 года (совместно сМаркони, за вклад в развитие беспроволочной телеграфии). Привычные нам полупроводниковые диоды с p-nпереходом начали появляться только в 30-х годах 20 века. См. также сноску на стр.8.стр. 18 из 2815.04.2018Гетеропереход.Пока мы рассматривали контакт двух полупроводников с одинаковой зонной структурой, но сразным легированием. Что произойдёт, если соединить разнородные полупроводники?Такие системы, называемые гетероструктурами10 активно применяются в технике (например,полупроводниковые лазеры строятся на базе гетероструктур). Кроме того, в физикенизкоразмерных электронных систем гетероструктуры и созданные на их основе устройстваявляются одним из способов создания этих низкоразмерных систем.Правило Андерсона для контакта двух полупроводников.При соединении полупроводников разного типа (с различным химическим составом и зоннойструктурой) возникает вопрос о выборе одного начала отсчёта энергии в нашей задаче — доэтого мы рассматривали полупроводники, отличающиеся только легированием, в которыхзонные структуры «собственных» электронов совпадали и можно было выбрать началоотсчёта энергии произвольно (лишь бы одинаково в обоих полупроводниках).
Точноерешение этой задачи требует полного расчёта или знания зонной структуры и её заполнения сучётом перераспределения заряда на границе. То есть, требуется совместное решениеквантового уравнения Шредингера и электростатического уравнения Пуассона. Эта задачаслишком сложна для даже качественного анализа в нашем курсе.Практически удобным оказывается правило Андерсона11: нужно отсчитать в сторонууменьшения от нулевой энергии свободного электрона в вакууме интервалы энергии, равныесродству соединяемых материалов к электрону, эти уровни дадут положения дна зоныпроводимости. Правило Андерсона (и родственное ему правило Шоттки-Мота)рассматривает два близко находящихся, но не соединённых полупроводника (полупроводники металл в правиле Шоттки-Мота). Его смысл в том, что переход электронов с одногополупроводника на другой будет продолжаться, пока можно выиграть энергию, затративработу выхода на выемку электрона из одного образца в вакуум, но выиграв большую работувыхода, помещая этот электрон в другой образец.
Это подразумевает ненулевую температуру,так как работа выхода определяется здесь как выемка электрона из зоны проводимости.Наличие общего относительно обоих образцов уровня энергии в вакууме позволяетсформулировать это правило. В результате, на соединяемых образцах появится некоторыйзаряд, не локализованный вблизи перехода, и возникнет разность потенциалов междуобразцами (в образцах появляются свободные заряды и потенциал на образце становитсяпостоянным). При образовании p-n перехода (при соединении образцов) предположениялежащие в основе правила Андерсона нарушаются и оно становится верно лишьприближённо.
Кроме того, применение правила Андерсона к находящимся в контактеобразцам предсказывает нефизический скачок потенциала на границе. Тем не менее, онооказывается простым и удобным при качественном построении зонной структуры контактаполупроводников.10 За создание полупроводниковых гетероструктур была присуждена Нобелевская премия 2000 годаЖ.Алферову, Х.Кроемеру и Д.Килби.11 R.L.Anderson, 1960стр. 19 из 2815.04.2018Классификация гетеропереходов.уровень минимальной энергии электрона в вакууметип Iтип IIтип IIIРисунок 8: Схематическое изображение расположения зон соединяемых полупроводников нагетеропереходах разного типа.Теперь мы потребуем несколько специальные свойства от используемых полупроводников.Во-первых, соединяемые полупроводники должны быть различными (с разными значениямиширины запрещённой зоны или с разными значениями сродства к электрону).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
