Разновидности электрических переходов и контактов

 

Основным элементом структуры большинства полупроводниковых приборов является электрический переход. Электрический переход – это переходный  слой между областями твердого тела с различными типами проводимости или различными значениями удельной электрической проводимости.

Переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность p -типа, а другая n- типа называют электронно-дырочным или p- n-переходом.

Переходы между двумя областями с одним типом электропроводности (n - или p -типом), отличающиеся концентрацией примесей и соответственно значением удельной проводимости, называют изотипными переходами: электронно-электронными (n⁺- n -переход) или дырочно-дырочными (p⁺- p -переход). Термином n⁺ и p⁺ - обозначают сильнолегированные области, следовательно, слои n⁺ и p⁺ имеют меньшее удельное сопротивление, поэтому большую удельную проводимость.

Переходы, образованные в одном полупроводниковом материале, например германии, кремнии, арсениде галлия, называют гомопереходами.

Переходы между двумя полупроводниковыми материалами, имеющими различную ширину запрещенной зоны, называют гетеропереходами.

Если одна из областей, образующих переход, является металлом, а другая полупроводником, то такие переходы называют переходом металл-полупроводник или переходом Шоттки.

К электрическим переходам относят также структуру металл – диэлектрик – полупроводник (МДП), в которой между металлом и полупроводником расположен тонкий слой диэлектрика.

По функциональному назначению электрические переходы делят на выпрямляющие, электрическое сопротивление которых при одном (прямом) направлении тока меньше, чем при другом – обратном и омические, электрическое сопротивление которых мало и практически не зависит от направления и значения тока в заданном диапазоне токов.

 

Электронно-дырочный переход

 

Электронно-дырочный переход (p- n -переход) находится на границе между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную (n), а другая – дырочную (p) электрические проводимости, то есть соответственно n - или p- области. Однако его нельзя создать простым соприкосновением полупроводниковых пластин n- или p- типов, так как при этом неизбежен промежуточный слой воздуха, оксидов или поверхностных загрязнений. Переход создается в кристалле полупроводника с помощью технологических процессов (например, сплавления, диффузии), в результате которых граница раздела между областями p- и n- типов находится внутри полупроводникового монокристалла. Классическим примером p ‑ n перехода являются: n Si – p Si, n Ge – p Ge.

Различают симметричные и несимметричные p- n -переходы. В симметричных переходах концентрация электронов в полупроводнике n -типа n_n и концентрация дырок в полупроводнике p -типа p_p равны, то есть n_n = p_n. Другими словами, концентрации основных носителей зарядов по обе стороны симметричного p- n -перехода, равны. На практике используются, как правило, несимметричные переходы, в которых концентрация, например, электронов в полупроводнике n -типа больше концентрации дырок в полупроводнике p -типа, то есть n_n > p_p, при этом различие в концентрациях может составлять 100 - 1000 раз. Низкоомная область, сильно легированная примесями (например, n -область в случае n_n > p_p), называется эмиттером; высокоомная, слаболегированная (p -область в случае перехода n _n > p _p), - базой. Для случая, когда концентрации электронов в полупроводнике n -типа больше концентрации электронов в полупроводнике n- типа, то есть p_p > n_n, эмиттером будет p -область, а базой ‑ n -область.

В зависимости от характера примесей, обеспечивающих требуемый тип электропроводности в областях, различают два типа переходов: резкий (ступенчатый) и плавный (линейный). В резком переходе концентрация примесей на границе раздела областей изменится на расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной, в плавном – на расстоянии, значительно большем диффузионной длины. Лучшим выпрямительными (вентильными) свойствами обладают резкие p- n -переходы. Резкий p- n -переход образуется при сплавлении, плавный – получается методом диффузии или методом выращивания из расплава.

В зависимости от площади p- n -переходы разделяются на точечные и плоскостные. Точечные p-n- переходы образуются точечно-контактным способом. Плоскостные переходы в зависимости от метода их изготовления бывают сплавными, диффузионными, эпитаксиальными и т.п.

 

2.2.1. р-n- переход в состоянии термодинамического

Равновесия

 

В полупроводнике с областями р- и п- типов, образующих переход можно выделить следующие пространственные области (рис. 2.1): 1 – металлургический переход (контакт) – воображаемая плоскость, разделяющая р- и п- области; 2 – область перехода или область пространственного заряда (ОПЗ) или обедненная область, располагается по обе стороны металлургического  перехода  и  имеет  толщину от 10^-6 до 10^-4 см (в зависимости от технологии производства); 3 –нейтральные р- и п- области, лежащие между областью пространственного и границами полупроводников р- и п- типов; 4 – омические контакты, которыми оканчиваются нейтральные области.

Рис. 2.1. Cхематическое изображение идеального p- n -перехода

 

На рис. 2.2 условно показан кристалл, одна часть объема которого имеет дырочную электропроводность, а другая – электронную. До установления термодинамического равновесия между p - и n -областями и в отсутствии внешнего электрического поля в таком переходе протекают следующие физические процессы. Поскольку концентрация дырок в p -области гораздо выше их концентрации в n -области, то дырки из p -области диффундируют в n -область. Однако, как только дырки попадают в n -область, они начинают рекомбинировать с электронами, основными носителями зарядов в n -области и их концентрация по мере углубления быстро убывает. Аналогично электроны из n -области диффундируют в p -область. Такое движение зарядов создает диффузионный ток электронов и дырок. Плотность полного диффузионного тока, проходящего через границу раздела, определится суммой

 

.

 

Рис. 2.2. Идеальный плоскостной p- n -переход: а - отдельные p - и n -полупроводники; б - схематическое изображение

идеального плоскостного p- n -перехода; в - распределение плотности объемных зарядов; г - распределение потенциала;

д - распределение электронов проводимости и дырок;

+, – - ионы; «+», «–» - дырки и электроны

 

Встречная диффузия подвижных носителей заряда приводит к появлению в n -области нескомпенсированных положительных зарядов ионов донорной примеси, а в p -области – отрицательных зарядов ионов акцепторной примеси, связанной с кристаллической решеткой полупроводника (рис. 2.2, б).

Распределение объемной плотности указанных зарядов ρ _об показано на рис. 2.2, в. Таким образом, на границе областей образуются два слоя зарядов, равных по величине, но противоположных по знаку. Положительный заряд обусловлен ионизованными донорами, отрицательный заряд – ионизованными акцепторами. Образуется область пространственного заряда (ОПЗ), состоящая из двух разноименно заряженных слоев. Образовавшаяся область пространственных зарядов и представляет собой p- n -переход. Его ширина  обычно равна d_{p - n} = 10^-3 - 10^{-4 мм. Объемные (пространственные) заряды в переходе образуют электрическое поле, направленное от положительно заряженных доноров к отрицательно заряженным акцепторам, то есть от} n -области к p -области и называемое диффузионным электрическим полем. Этому полю соответствует контактная разность потенциалов U _к = φ _о, зависящая от материала и уровня легирования. Например, U _к для германиевых p- n -переходов составляет (0,3 - 0,4) В, а для кремниевых (0,7 - 0,8) В. Так как электрическое поле неподвижных зарядов p- n -перехода при термодинамическом равновесном состоянии препятствует диффузии основных носителей заряда в соседнюю область, то считают, что между p- и n -областями устанавливается потенциальный барьер, φ _о, распределение потенциала которого вдоль структуры p- n -перехода показано на рис. 2.2, г.

Основные носители заряда при встречной диффузии рекомбинируют в приконтактных областях p- n -перехода, что приводит к образованию в этом месте обедненного подвижными носителями заряда слоя, который обладает малой удельной проводимостью (как беспримесный или собственный полупроводник) и поэтому называется обедненным или запирающим слоем х ₃ (рис. 2.2, д).

Диффузионное электрическое поле является тормозящим для основных и ускоряющим для неосновных носителей заряда. Электроны р -области и дырки п -области, то есть неосновные носители, совершая тепловое, движение попадают в пределы диффузионного электрического поля, увлекаются им и перебрасываются в противоположные области образую ток дрейфа. Выведение носителей заряда из области полупроводника, где они являются неосновными, через электронно-дырочный переход, ускоряющим электрическим полем называется экстракцией. То есть в поле напряженностью Е ₀ возникают дрейфовые токи электронов и дырок

 

.

 

Движение зарядов прекращаются, когда наступает динамическое равновесие и токи через переход уравниваются . Дрейфовые токи направлены навстречу диффузионным и равны им. При отсутствии внешнего поля результирующий ток через р-п- переход для каждого типа носителей равен нулю.

На рис. 2.3 приведены зонные диаграммы, иллюстрирующие этапы формирования электронно‑дырочного перехода.

 

Рис. 2.3. Схема, иллюстрирующая образование

  p - n -перехода

Граница областей донорной и акцепторной примеси в полупроводнике получила название металлургического p- n -перехода. Границу, где уровень Ферми пересекает середину запрещенной зоны, называют физическим p- n -переходом.

Энергетическая диаграмма p - n -перехода в состоянии равновесия строится, начиная с уровня Ферми, единого для всей системы (рис. 2.4). В каждой области положение энергетических уровней не изменяется, поэтому после «соприкосновения» полупроводников p - и n -типа, когда уровень Ферми оказывается общим, энергетические зоны изгибаются в области перехода.