🗊Презентация Электрические переходы

Электрические переходы

Электрическим переходом в полупроводнике называется граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых имеют существенные физические различия.

Различают следующие виды электрических переходов: Различают следующие виды электрических переходов: электронно-дырочный, или p–n-переход – переход между двумя областями полупроводника,имеющими разный тип электропроводности; переход металл – полупроводник - переходы между двумя областями, если одна из них является металлом, а другая полупроводником p- или n-типа; переходы между двумя областями с одним типом электропроводности, отличающиеся значением концентрации примесей; переходы между двумя полупроводниковыми материалами с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереходы).

Электронно-дырочный переход Граница между двумя областями монокристалла полупроводника, одна из которых имеет электропроводность типа p, а другая – типа n называется электронно-дырочным переходом (n-p переходом) . Концентрации основных носителей заряда в областях p и n могут быть равными или существенно отличаться.

р–n-переход, у которого концентрации дырок и электронов практически равны Nакц = Nдон , называют симметричным. р–n-переход, у которого концентрации дырок и электронов практически равны Nакц = Nдон , называют симметричным. Если концентрации основных носителей заряда различны ( Nакц >> Nдон или Nакц << Nдон ) и отличаются в 100…1000 раз, то такие переходы называют несимметричными. Несимметричные p–n-переходы используются шире, чем симметричные.

Несимметричный p–n-переход Каждой дырке в области p соответствует отрицательно неподвижный заряженный ион акцепторной примеси,

Свободные носители электрических зарядов под действием градиента концентрации начинают перемещаться из мест с большой концентрацией в места с меньшей концентрацией. Свободные носители электрических зарядов под действием градиента концентрации начинают перемещаться из мест с большой концентрацией в места с меньшей концентрацией.

Как только дырка из области p перейдет в область n, она оказывается в окружении электронов, являющихся основными носителями электрических зарядов в области n. Как только дырка из области p перейдет в область n, она оказывается в окружении электронов, являющихся основными носителями электрических зарядов в области n. Велика вероятность того, что какой-либо электрон заполнит свободный уровень в дырке и произойдет явление рекомбинации, в результате которой останется электрически нейтральный атом полупроводника.

После рекомбинации дырки и электрона электрические заряды неподвижных ионов примесей остались не скомпенсированными. После рекомбинации дырки и электрона электрические заряды неподвижных ионов примесей остались не скомпенсированными.

Между этими зарядами возникает электрическое поле с напряжённостью E , которое называют полем потенциального барьера,

Это электрическое поле начинает действовать на подвижные носители электрических зарядов. Таким образом, в узкой области δ, образуется слой, где практически отсутствуют свободные носители электрических зарядов и вследствие этого обладающий высоким сопротивлением - запирающий слой.

Движение неосновных носителей через p–n-переход под действием электрического поля потенциального барьера обусловливает составляющую дрейфового тока Iдр = Iнеосн. Движение неосновных носителей через p–n-переход под действием электрического поля потенциального барьера обусловливает составляющую дрейфового тока Iдр = Iнеосн.

При отсутствии внешнего электрического поля устанавливается динамическое равновесие между потоками основных и неосновных носителей электрических зарядов, то есть между диффузионной и дрейфовой составляющими тока p–n-перехода, поскольку эти составляющие направлены навстречу друг другу При отсутствии внешнего электрического поля устанавливается динамическое равновесие между потоками основных и неосновных носителей электрических зарядов, то есть между диффузионной и дрейфовой составляющими тока p–n-перехода, поскольку эти составляющие направлены навстречу друг другу Iдиф = Iдр.

При отсутствии внешнего электрического поля и при условии динамического равновесия в кристалле полупроводника устанавливается единый уровень Ферми для обеих областей проводимости.

поскольку в полупроводниках p-типа уровень Ферми смещается к потолку валентной зоны Wвp , а в полупроводниках n-типа – ко дну зоны проводимости Wпn , то на ширине p–n-перехода δ диаграмма энергетических зон искривляется и образуется потенциальный барьер: где ΔW – энергетический барьер, который необходимо преодолеть электрону в области n , чтобы он мог перейти в область p , или аналогично для дырки в области p , чтобы она могла перейти в область n .

Высота потенциального барьера зависит от концентрации примесей, так как при ее изменении изменяется уровень Ферми, смещаясь от середины запрещенной зоны к верхней или нижней ее границе.

Вентильное свойство p–n-перехода P–n-переход, обладает свойством изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от направления протекающего через него тока. Это свойство называется вентильным, а прибор, обладающий таким свойством, называется электрическим вентилем.

Прямое включение p–n-перехода Рассмотрим p–n-переход, к которому подключен внешний источник напряжения Uвн, « + » к области p-типа, «–» к области n-типа. Такое подключение называют прямым включением p–n-перехода (или прямым смещением p–n-перехода).

Напряженность электрического поля внешнего источника Eвн будет направлена навстречу напряженности поля потенциального барьера E и, следовательно, приведет к снижению результирующей напряженности Eрез : Напряженность электрического поля внешнего источника Eвн будет направлена навстречу напряженности поля потенциального барьера E и, следовательно, приведет к снижению результирующей напряженности Eрез :

Высота потенциального барьера снизится, Высота потенциального барьера снизится, увеличится количество основных носителей, диффундирующих через границу раздела в соседнюю область, образующих прямой ток p–n-перехода Iпр = Iдиф - Iдр  Iдиф = Iосн. Вследствие уменьшения тормозящего действия поля потенциального барьера на основные носители, ширина запирающего слоя δ уменьшается ( δ' < δ ) (уменьшается его сопротивление).

При увеличении внешнего напряжения прямой ток p–n-перехода возрастает. При увеличении внешнего напряжения прямой ток p–n-перехода возрастает. Основные носители после перехода границы раздела становятся неосновными в противоположной области полупроводника и, углубившись в нее, рекомбинируют с основными носителями этой области. Пока подключен внешний источник, ток через переход поддерживается непрерывным поступлением электронов из внешней цепи в n-область и уходом их из p-области во внешнюю цепь, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в p-области.

Введение носителей заряда через p–n-переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители являются неосновными, называют инжекцией носителей заряда. Введение носителей заряда через p–n-переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители являются неосновными, называют инжекцией носителей заряда. При протекании прямого тока из дырочной области р в электронную область n инжектируются дырки, а из электронной области в дырочную –электроны.

Инжектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлением называют эмиттером; Инжектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлением называют эмиттером; слой, в который происходит инжекция неосновных для него носителей заряда, – базой.

Если к р-n-переходу подключить внешний источник с противоположной полярностью Если к р-n-переходу подключить внешний источник с противоположной полярностью «–» к области p-типа, «+» к области n-типа, то такое подключение называют обратным включением p–n-перехода (или обратным смещением p–n-перехода).

Напряженность электрического поля источника Eвн будет направлена в ту же сторону, что и напряженность электрического поля E потенциального барьера; Напряженность электрического поля источника Eвн будет направлена в ту же сторону, что и напряженность электрического поля E потенциального барьера; высота потенциального барьера возрастает, а ток диффузии основных носителей практически становится равным нулю.

Через р–n-переход будет протекать очень маленький ток, обусловленный перебросом суммарным электрическим полем на границе раздела, неосновных носителей Через р–n-переход будет протекать очень маленький ток, обусловленный перебросом суммарным электрическим полем на границе раздела, неосновных носителей Процесс переброса неосновных носителей заряда называется экстракцией. Этот ток имеет дрейфовую природу и называется обратным током р–n-перехода Iобр = Iдр - Iдиф  Iдр = Iнеосн.

Вольт-амперная характеристика р–n-перехода Вольт-амперная характеристика p–n-перехода – это зависимость тока через p–n-переход от величины приложенного к нему напряжения. Общий ток через p–n-переход определяется суммой четырех слагаемых:

где U - напряжение на p-n-переходе; I0 -обратный (или тепловой) ток, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура. где U - напряжение на p-n-переходе; I0 -обратный (или тепловой) ток, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура.

При прямом напряжении внешнего источника (U > 0) экспоненциальный член быстро возрастает, что приводит к быстрому росту прямого тока, который в основном определяется диффузионной составляющей. При прямом напряжении внешнего источника (U > 0) экспоненциальный член быстро возрастает, что приводит к быстрому росту прямого тока, который в основном определяется диффузионной составляющей. При обратном напряжении внешнего источника (U < 0) экспоненциальный член много меньше единицы и ток р–n-перехода практически равен обратному току Io , определяемому, в основном, дрейфовой составляющей.

При увеличении прямого напряжения ток р–n-перехода в прямом направлении вначале возрастает относительно медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания прямого тока, что приводит к дополнительному нагреванию полупроводниковой структуры. При увеличении прямого напряжения ток р–n-перехода в прямом направлении вначале возрастает относительно медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания прямого тока, что приводит к дополнительному нагреванию полупроводниковой структуры.

Если количество выделяемого при этом тепла будет превышать количество тепла, то могут произойти в полупроводниковой структуре необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Если количество выделяемого при этом тепла будет превышать количество тепла, то могут произойти в полупроводниковой структуре необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки.

При увеличении обратного напряжения, приложенного к р–n-переходу, обратный ток изменяется незначительно, так как увеличение обратного напряжения приводит лишь к увеличению скорости дрейфа неосновных носителей без изменения их количества. При увеличении обратного напряжения, приложенного к р–n-переходу, обратный ток изменяется незначительно, так как увеличение обратного напряжения приводит лишь к увеличению скорости дрейфа неосновных носителей без изменения их количества. Такое положение будет сохраняться до величины обратного напряжения, при котором начинается интенсивный рост обратного тока – так называемый пробой р–n-перехода.

Виды пробоев p–n-перехода Возможны обратимые и необратимые пробои. Обратимый пробой – это пробой, после которого p–n-переход сохраняет работоспособность. Необратимый пробой ведет к разрушению структуры полупроводника.

Существуют четыре типа пробоя: Существуют четыре типа пробоя: лавинный, туннельный, тепловой, поверхностный.

Лавинный и туннельный пробои объединятся под названием – электрический пробой, который является обратимым. Лавинный и туннельный пробои объединятся под названием – электрический пробой, который является обратимым. К необратимым относят тепловой и поверхностный.

Лавинный пробой свойственен полупроводникам, со значительной толщиной р–n-перехода, образованных слаболегированными полупроводниками. Лавинный пробой свойственен полупроводникам, со значительной толщиной р–n-перехода, образованных слаболегированными полупроводниками. Пробой происходит под действием сильного электрического поля с напряженностью E »(8…12) ×104 В/см. В лавинном пробое основная роль принадлежит неосновным носителям, образующимся под действием тепла в р–n-переходе.

Эти носители испытывают со стороны электрического поля р–n-перехода ускоряющее действие и могут разогнаться до такой скорости, что их кинетической энергии может оказаться достаточно, чтобы при соударении с атомом полупроводника ионизировать его, т.е. «выбить» один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару «электрон –дырка». Эти носители испытывают со стороны электрического поля р–n-перехода ускоряющее действие и могут разогнаться до такой скорости, что их кинетической энергии может оказаться достаточно, чтобы при соударении с атомом полупроводника ионизировать его, т.е. «выбить» один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару «электрон –дырка».

Туннельный пробой происходит в очень тонких р–n-переходах, что возможно при очень высокой концентрации примесей N »1019 см-3, когда ширина перехода становится малой (порядка 0,01 мкм) и при небольших значениях обратного напряжения (несколько вольт), когда возникает большой градиент электрического поля. Туннельный пробой происходит в очень тонких р–n-переходах, что возможно при очень высокой концентрации примесей N »1019 см-3, когда ширина перехода становится малой (порядка 0,01 мкм) и при небольших значениях обратного напряжения (несколько вольт), когда возникает большой градиент электрического поля.

Высокое значение напряженности электрического поля, воздействуя на атомы кристаллической решетки, повышает энергию валентных электронов и приводит к их туннельному «просачиванию» сквозь «тонкий» энергетический барьер из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области. Причем «просачивание» происходит без изменения энергии носителей заряда. Высокое значение напряженности электрического поля, воздействуя на атомы кристаллической решетки, повышает энергию валентных электронов и приводит к их туннельному «просачиванию» сквозь «тонкий» энергетический барьер из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области. Причем «просачивание» происходит без изменения энергии носителей заряда.

Если обратный ток при обоих видах электрического пробоя не превысит максимально допустимого значения, при котором произойдет перегрев и разрушение кристаллической структуры полупроводника, то они являются обратимыми и могут быть воспроизведены многократно. Если обратный ток при обоих видах электрического пробоя не превысит максимально допустимого значения, при котором произойдет перегрев и разрушение кристаллической структуры полупроводника, то они являются обратимыми и могут быть воспроизведены многократно.

Тепловым называется пробой р–n-перехода, обусловленный ростом количества носителей заряда при повышении температуры кристалла. Тепловым называется пробой р–n-перехода, обусловленный ростом количества носителей заряда при повышении температуры кристалла. С увеличением обратного напряжения и тока возрастает тепловая мощность, выделяющаяся в р–n-переходе, и, соответственно, температура кристаллической структуры.

Под действием тепла усиливаются колебания атомов кристалла и ослабевает связь валентных электронов с ними, возрастает вероятность перехода их в зону проводимости и образования дополнительных пар носителей «электрон – дырка». Под действием тепла усиливаются колебания атомов кристалла и ослабевает связь валентных электронов с ними, возрастает вероятность перехода их в зону проводимости и образования дополнительных пар носителей «электрон – дырка».

Если электрическая мощность в р–n-переходе превысит максимально допустимое значение, то процесс термогенерации лавинообразно нарастает, в кристалле происходит необратимая перестройка структуры и р-n-переход разрушается. Если электрическая мощность в р–n-переходе превысит максимально допустимое значение, то процесс термогенерации лавинообразно нарастает, в кристалле происходит необратимая перестройка структуры и р-n-переход разрушается.

Ёмкость р–n-перехода Изменение внешнего напряжения на p–n-переходе приводит к изменению ширины обедненного слоя и, соответственно, накопленного в нем электрического заряда Исходя их этого p–n-переход ведет себя подобно конденсатору, ёмкость которого определяется как отношение изменения накопленного в p–n-переходе заряда к обусловившему это изменение приложенному внешнему напряжению.

Различают барьерную (или зарядную) и диффузионную ёмкость р-n-перехода. Различают барьерную (или зарядную) и диффузионную ёмкость р-n-перехода. Барьерная ёмкость соответствует обратновключенному p–n-переходу, который рассматривается как обычный конденсатор, где пластинами являются границы обедненного слоя, а сам обедненный слой служит несовершенным диэлектриком с увеличенными диэлектрическими потерями:

При возрастании обратного напряжения ширина перехода увеличивается и ёмкость Сбар уменьшается. При возрастании обратного напряжения ширина перехода увеличивается и ёмкость Сбар уменьшается.

Диффузионная ёмкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в n- и p-областях при прямом напряжении на переходе. Диффузионная ёмкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в n- и p-областях при прямом напряжении на переходе. Она практически существует только при прямом напряжении, когда носители заряда диффундируют (инжектируют) в большом количестве через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в n- и p-областях.

Ёмкость Сдиф представляет собой отношение зарядов к разности потенциалов: Ёмкость Сдиф представляет собой отношение зарядов к разности потенциалов:

Диффузионная ёмкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, т.к. она шунтируется малым прямым сопротивлением p–n-перехода. Диффузионная ёмкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, т.к. она шунтируется малым прямым сопротивлением p–n-перехода. Таким образом, р–n-переход можно использовать в качестве конденсатора переменной емкости, управляемого величиной и знаком приложенного напряжения.

Контакт «металл – полупроводник» Контакт «металл – полупроводник» возникает в месте соприкосновения полупроводникового кристалла n- или р-типа проводимости с металлами. Происходящие при этом процессы определяются соотношением работ выхода электрона из металла Aм и из полупроводника Aп .

Под работой выхода электрона понимают энергию, необходимую для переноса электрона с уровня Ферми на энергетический уровень свободного электрона. Под работой выхода электрона понимают энергию, необходимую для переноса электрона с уровня Ферми на энергетический уровень свободного электрона. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов может выйти из данного тела.

В результате диффузии электронов и перераспределения зарядов нарушается электрическая нейтральность прилегающих к границе раздела областей, возникает контактное электрическое поле и контактная разность потенциалов В результате диффузии электронов и перераспределения зарядов нарушается электрическая нейтральность прилегающих к границе раздела областей, возникает контактное электрическое поле и контактная разность потенциалов

Переходный слой, в котором существует контактное электрическое поле при контакте «металл –полупроводник», называется переходом Шоттки, по имени немецкого ученого В. Шоттки, который первый получил основные математические соотношения для электрических характеристик таких переходов. Переходный слой, в котором существует контактное электрическое поле при контакте «металл –полупроводник», называется переходом Шоттки, по имени немецкого ученого В. Шоттки, который первый получил основные математические соотношения для электрических характеристик таких переходов.

Контактное электрическое поле на переходе Шоттки сосредоточено практически в полупроводнике, так как концентрация носителей заряда в металле значительно больше концентрации носителей заряда в полупроводнике. Контактное электрическое поле на переходе Шоттки сосредоточено практически в полупроводнике, так как концентрация носителей заряда в металле значительно больше концентрации носителей заряда в полупроводнике. Перераспределение электронов в металле происходит в очень тонком слое, сравнимом с межатомным расстоянием.

В зависимости от типа электропроводности полупроводника и соотношения работ выхода в кристалле может возникать обеднённый, инверсный или обогащённый слой носителями электрических зарядов. В зависимости от типа электропроводности полупроводника и соотношения работ выхода в кристалле может возникать обеднённый, инверсный или обогащённый слой носителями электрических зарядов.

1. Aм < Ап, полупроводник n-типа (а). В данном случае будет преобладать выход электронов из металла (M ) в полупроводник, поэтому в слое полупроводника около границы раздела накапливаются основные носители (электроны), и этот слой становится обогащенным, т.е. имеющим повышенную концентрацию электронов. 1. Aм < Ап, полупроводник n-типа (а). В данном случае будет преобладать выход электронов из металла (M ) в полупроводник, поэтому в слое полупроводника около границы раздела накапливаются основные носители (электроны), и этот слой становится обогащенным, т.е. имеющим повышенную концентрацию электронов.

Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения, и, следовательно, такой переход не обладает выпрямляющим свойством. Его иначе называют невыпрямляющим переходом. Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения, и, следовательно, такой переход не обладает выпрямляющим свойством. Его иначе называют невыпрямляющим переходом.

2. Aп < Ам , полупроводник p-типа (б). В этом случае будет преобладать выход электронов из полупроводника в металл, при этом в приграничном слое также образуется область, обогащенная основными носителями заряда (дырками), имеющая малое сопротивление. Такой переход также не обладает выпрямляющим свойством. 2. Aп < Ам , полупроводник p-типа (б). В этом случае будет преобладать выход электронов из полупроводника в металл, при этом в приграничном слое также образуется область, обогащенная основными носителями заряда (дырками), имеющая малое сопротивление. Такой переход также не обладает выпрямляющим свойством.

3. Aм > Ап , полупроводник n-типа (а). При таких условиях электроны будут переходить из полупроводника в металл и в приграничном слое полупроводника образуется область, обедненная основными носителями заряда и имеющая большое сопротивление. 3. Aм > Ап , полупроводник n-типа (а). При таких условиях электроны будут переходить из полупроводника в металл и в приграничном слое полупроводника образуется область, обедненная основными носителями заряда и имеющая большое сопротивление.

Создается сравнительно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенно зависеть от полярности приложенного напряжения. Создается сравнительно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенно зависеть от полярности приложенного напряжения. Если Aп >> Ам, то возможно образование инверсного слоя (p-типа). Такой контакт обладает выпрямляющим свойством.

4. Aп > Ам , полупроводник p-типа (б). Контакт, образованный при таких условиях обладает выпрямляющим свойством, как и предыдущий. 4. Aп > Ам , полупроводник p-типа (б). Контакт, образованный при таких условиях обладает выпрямляющим свойством, как и предыдущий.

Свойства омических переходов Основное назначение омических переходов – электрическое соединение полупроводника с металлическими токоведущими частями полупроводникового прибора. Омический переход имеет меньшее отрицательное влияние на параметры и характеристики полупроводникового прибора, если выполняются следующие условия:

вольт-амперная характеристика омического перехода линейна; вольт-амперная характеристика омического перехода линейна; отсутствует накопление неосновных носителей в омическом переходе или вблизи него; минимальное сопротивление омического перехода.