Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 16
Текст из файла (страница 16)
«а =«аое о оэ» (3.21) Ток термогенерации зависит от обратных напряжения и температуры, он на 4 — 5 порядков больше тока 1 . Пробой перехода. Различают три вида (механизма) пробоя р-и-перехода при достаточно больших обратных напряжениях: туннельный, лавинный и тепловой. Первые два связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе, а третий — с увеличением рассеиваемой мощыости и соответственно температуры. В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. «просачивание» электронов сквозь тонкий потенциальный барьер (рис, 3.10). В основе лавинного пробоя лежит ао +(у) «размножение» носителей в сильном 8- —-- в электрическом поле, действующем в области перехода. Электрон и дырка, ускоренные полем на длине свободного пробега, могут разорвать одну из ковалентных связей нейтрального атома по Рдо. зло.
туээельдив проЛУПрОВОдНИКа. В рЕЗуЛЬтатЕ рОждаЕтея Соя (»оэаьэ Дэо"Р™мо) 88 Глава 3. Полупроводпкковые переходы к ковтакты новая пара электрон — дырка и процесс повторяется уже с участием новых носителей. Обратный ток при этом, естественно, возрастает. При достаточно большой напряженности поля, когда исходная пара носителей в среднем порождает более одной новой пары, ионизация приобретает лавннный характер. Граничное значение пробивного напряжения, выше которого пробой лавинный, а ниже — туннельный, составляет около 5 В. В основе теплового пробоя лежит саморазогрев перехода при протекании обратного тока. С ростом температуры обратные токи резко возрастают, соответственно увеличивается мощность, рассеиваемая в переходе; это вызывает дополнительный рост температуры и т.д.
Характерной особенностью ВАХ при тепловом пробое является наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением: йУ/й1 с О. Барьерная емкость, Полупроводниковый диод инерционен по отношению к достаточно быстрым изменениям тока или напряжения, поскольку новое распределение носителей устанавливается не сразу. Как известно, внешнее напряжение меняет ширину перехода„а значит, и величину объемных зарядов в переходе.
Кроме того, при инжекции или экстракции меняются заряды в области базы. Следовательно, диод обладает емкостью, которую можно считать подключенной параллельно р-п-переходу. Эту емкость принято разделять на две составляющие: барьерную емкость, отражающую перераспределение зарядов в переходе, и диффузионную емкость, отражающую перераспределение в базе.
Такое разделение в общем условное, но оно удобно на практике, поскольку соотношение обеих емкостей различно при разных полярностях приложенного напряжения. При прямом напряжении главную роль играют избыточные заряды в базе и соответственно — диффузионная емкость.
При обратном напряжении избыточные заряды в базе малы и главную роль играет барьерная емкость. Заметим заранее, что обе емкости нелинейны: диффузионная емкость зависит от прямого тока, а барьерная — от обратного напряжения. Нелинейность диффузионной емкости настолько существенна, что ее использование при решении практически важных задач не упрощает анализ по сравнению с непосредственным использованием уравнений непрерывности. Поэтому мы эту емкость не рассматриваем. Что касается барьерной емкости, 3,3.
Контакты полупроаелппк-металл то она, несмотря на нелинейность, является удобным параметром и заслуживает рассмотрения. Примем распределение зарядов в переходе ступенчатым. Будем по-прежнему считать переход несимметричным, типа и+ — р. Тогда протяженность отрицательного заряда в р-базе можно считать равной всей ширине перехода: ( =й Запишем модуль этого заряда: О,бзэздЖ бэ Л'Ро (3.22) Так как напряжение обратное, т.е. имеет отрицательный знак, удобно пользоваться модулем обратного напряжения: 0,бсэз )Л~ Лр.
1Й (3.23) 3.3. Контакты полупроводник — металл Исторически первыми полупроводниковыми приборами были диоды, основанные на контакте полупроводника с металлом (точечно-контактные диоды). Их применение основывалось на экспериментально обнаруженном факте — выпрямлении слабых переменных сигналов при соприкосновении металлической иглы с кристаллами некоторых естественных полупроводниковых минералов. В интегральных схемах кон- где Ф вЂ” концентрация примеси в базе; 8 — площадь перехода. Такой же (но положительный) заряд будет в эмиттерном л+-слое.
Представим, что эти заряды расположены на обкладках воображаемого конденсатора. Емкость конденсатора обычно определяют как Я/У. Однако в данном случае заряд обусловлен не только внешним напряжением У, но и равновесной высотой барьера Лщ, см. (3.9). Поэтому заряд Ц нужно делить на величину Лу = Лдс — У. В транзисторной электронике чаще пользуются дифференциальной барьерной емкостью, которую получают, дифференцируя заряд ~Я~ по напряжению Лд.
Учитывая (3.9), получаем удельную барьерную емкость (на единицу площади): Глава 3. Полупроводниковые переходы н контакты такты металла с полупроводником находят двоякое применение: либо в качестве невыпрямляющих — омических контактов (соединения элементов ИС), либо в качестве специфических выпрямляющих контактов (диодов ш(отткн. Структура и свойства контактов металл — полупроводник зависят в первую очередь от взаимного расположения уровней Ферми в том и другом слое. На рис.
3.11 вверху показаны зонные диаграммы разделенных слоев, а внизу — зонные диаграммы соответствующих контактов (после «соприкосновения» слоев и установления равновесия). Металл П олупроводник Металл Полупроводник б) а) Рнс. 3.11. Зонные диаграммы выпрямляюпщх контактов металла с полупроводником а — контакт с полупроводником утина, б — контакт с полупроводником и-типа Выирямляющие контакты.
На рис. 3.11, а показаны зонные диаграммы для случая, когда ру >ср„. Такое соотношение означает, что заполненность зоны проводимости в полупроводнике меньше, чем заполненность такого же энергетического участка в металле. Поэтому после »соприкосновения» слоев часть электронов перейдет из металла в полупроводник р-типа. Появление дополнительных электронов в приповерхностном 3.3. Коктактм лолулрьвьлккк-м«талл Эг слое полупроводника приводит к усиленной рекомбинации.
В результате уменьшается количество основных носителей — дырок, и вблизи границы с металлом «обнажаются» некомпенсированные отрицательные ионы акцепторов. Появляется электрическое поле, которое препятствует дальнейшему притоку электронов и обеспечивает больцмановское равновесие в области контакта. Энергетические уровни оказываются искривленными «вниз». На рис. 3.11, б показаны ванные диаграммы для случая ае < «эе„, когда после соприкосновения слоев электроны переходят из полупроводника и-типа в металл.
Соответственно вблизи границы с металлом «обнажаются» некомпенсированные положительные ионы доноров, а зоны искривляются «вверх». Область искривления зон (т.е. область объемных зарядов) в обоих случаях имеет протяженность, определяемую формулой (2.34), обычно 0,1-0,2 мкм. Контакты такого рода в настоящее время создаются напылением металла на полупроводник в вакууме. Обмен электронами между металлом и полупроводником обычно характеризуют не разностью «исходных» уровней Ферми, а разностью работ выхода. Работой выхода электрона из твердого тела называют энергию, необходимую для вылета за пределы кристалла (т.е.
для термоэмиссии). На ванных диаграммах работа выхода есть энергетическое «расстояние» между уровнем свободного электрона вне твердого тела и уровнем Ферми. На рис. 3.11 работы выхода из металла и из полупроводника обозначены соответственно через о и «Рз.
Разность работ выхода «эмз = «рм — оэ, выраженную в вольтах, называют контактной разностью потенциалов. В зависимости от соотношения работ выхода дм и «»э электРоны пеРеходЯт в тот или иной слой. Если «эм <«33 (т.е. умэ < О), то электроны переходят из металла в полупроводник (рис. 3.11, а), если же рм > «Рз (т.е. амз >О), то электроны переходят из полупроводника в металл (рис. 3.11, б). Такой критерий более нагляден, чем использованный в начале раздела, тем более, что контактные разности потенциалов для типовых комбинаций металлов и полупроводников приводятся в литературе. Степень искривления энергетических зон вблизи поверхности (рис.
3.11) характеризуется величиной равновесного повер- Глава 3. Полулроводвкковые переходы к коктакты хностного потенциала дзо. Если пренебречь ролью поверхностных состояний„то величина уэо будет равна контактной разности потенциалов акмэ. Оба контакта, показанные на рис. 3.11, характерны наличием обедненных слоев в приконтактном слое полупроводника. Здесь концентрация основных носителей меньше по сравнению с равновесной, сохранившейся вдали от контакта. Следовательно, такой приконтактный слой обладает повышенным удельным сопротивлением и поэтому определяет сопротивление всей системы.
Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьерок Шоттки. Его высота дзз является аналогом величины Ьуо в р-п-переходе. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения потенциал щ и соответственно сопротивление приконтактного слоя будут меняться, Так, если напряжение приложено плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, то потенциальный барьер в контакте на рис 3.11, а повышается. Тогда приконтактный слой еще больше обедняется основными носителями — дырками и, следовательно, будет иметь повышенное сопротивление по сравнению с равновесным. Значит, напряжение с этой полярностью является для данного контакта обратным.
В контакте на рис. 3.11, б при той же полярности напряжения потенциальный барьер понижается, приконтактный слой обогащается основными носителями — электронами и его сопротивление будет меньше равновесного. Значит, напряжение с этой полярностью является для данного контакта прямым. Таким образом контакты, показанные на рис. 3.11, обладают выпрямляющими свойствами и могут быть основой диодов. Диоды, использующие барьеры Шоттки, называют диодами Шоттки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
