Контактные явления в полупроводниках. Вольтамперная характеристика в прямой и обратной областях для кремневого и германиевого перехода.

Переходный слой между областями материала с различными типами электрической проводимости (p-n и n-p переходы) или различными значениями удельной электрической проводимости (n-n и р-р переходы) называют электрическим переходом. В месте стыка металла и полупроводника образуется контакт металл-полупроводник.

Электронные переходы нельзя создать путем механического контакта двух областей с разными физическими свойствами, т.к. поверхности кристаллов обычно загрязнены оксидами и атомами других веществ и будет существовать значительный воздушный зазор.

Технологический процесс создания реального электронно-дырочного перехода может быть различным: Сплавление (сплавные диоды), диффузия одного вещества в другое (диффузионные диоды), эпитаксия – ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого.

На рисунке «а» представлен p-n-переход. Он идеализирован. Поверхность, по которой контактируют слои p и n называется металлургической границей. В реальных полупроводниках эта граница размыта. Между этими областями наблюдается изменение примесей по их типу и концентрации. Такие переходы называют плавными. Резкость границы играет существенную роль, так как в плавном переходе трудно получить те вентильные свойства, которые необходимы для работы диодов и транзисторов.

n-область полупроводника имеет донорную примесь (химические элементы, имеющие большую валентность(As, Sb,P – V группа), чем у базового полупроводника (Si,Ge – IV группа)). В этом случае четыре валентных электрона примесного атома совместно с четырьмя электронами соседних атомов основного вещества образуют ковалентные связи, а пятый электрон является лишним в кристаллической решетке, его энергия ионизации намного меньше ширины запрещенной зоны чистого полупроводника, и при комнатной температуре эти электроны легко освобождаются от своих атомов, переходя в зону проводимости.

p-область полупроводника имеет акцепторную примесь (химические элементы, имеющие меньшую валентность (B,Al,In,Ga – III группа), чем у базового полупроводника. В этом случае в одной из ковалентных связей примесного атома отсутствует один электрон, то есть имеется свободная энергетическая вакансия – дырка. Электроны собственного полупроводника из валентной зоны с легкостью захватываются примесными трехвалентными атомами.

p-n-переходы, у которого концентрации основных носителей заряда в p- и n- областях равны называют симметричными. В нессиметричном p-n-переходе концентрации основных носителей заряда в p- и n- областях могут различаться в 100-1000 раз.

Рассмотрим подробнее процесс образования p-n перехода.

До соприкосновения p и n областей электроны дырки и ионы примесей распределены равномерно. При контакте на границе p и n областей возникает градиент концентрации свободных носителей заряда и диффузия. Под действием диффузии электроны из n-области переходит в p и рекомбинирует там с дырками. Дырки из р-области переходят в n-область и рекомбинируют там с электронами. В результате такого движения свободных носителей заряда в пограничной области их концентрация убывает почти до нуля и в тоже время в р области образуется отрицательный пространственный заряд ионов акцепторной примеси, а в n-области положительный пространственный заряд ионов донорной примеси. Между этими зарядами возникает контактная разность потенциалов φк и электрическое поле Ек, которое препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины р- и n-областей через р-n-переход. Таким образом область, объединённая свободными носителями заряда со своим электрическим полем и называется р-n-переходом.

Свойства p-n-структуры изменяются, если к ней приложить внешнее напряжение(рисунок 2.7). Характер этих изменений зависит от значения и полярности приложенного напряжения.
Если к p-области приложить напряжение плюсом, а к n-области минусом, в p-n-переходе появится внешнее электрическое поле, которое приводит к уменьшению потенциального барьера (ширины и высоты) и способствует преодолению его носителями заряда – получим прямое смещение p-n-перехода. Ток при этом включении обусловлен основными носителями заряда. Если к p-n-переходу приложить потенциалы наоборот, то общий потенциальный барьер повышается. При этом некий обратный ток все же протекает. Обусловлен он неосновными носителями заряда, попадающим в поле p-n-перехода и переносящимися через потенциальный барьер. Прямое и обратное включение переходов из Si и Ge рассмотрим ниже:

Вах кремневого (Si) и германиевого (Ge) перехода

Кремниевые диоды имеют существенно меньшее значение обратного тока по сравнению с германиевыми, вследствие более низкой концентрации неосновных носителей заряда. Обратный ток кремниевых диодов обычно на один-два порядка меньше, чем у германиевых диодов, при этом обратный ток германиевых диодов в основном определяется тепловым током, а доля теплового тока в обратном токе кремниевого диода очень мала. Обратная ветвь ВАХ у кремниевых диодов при данном масштабе практически сливается с осью абсцисс. Прямая ветвь ВАХ у кремниевых диодов расположена значительно правее, чем у германиевых.