Зонная стуктура примесного проводника.

 

У примесных полупроводников зоны диаграммы не такие, как у собственного.

 

ES

EB

валентная

проводимости

дельа Е

Энергетический рувроень донорной примеси Eд(донорный уровень) лежит в запрещенной зоне в

 

 

близи дна зоны проводимости(рис.а). Поэтому уже при комнатной температуре избыточный электроны приобретают энергию равную не очень большой их связи атомов с примесью и переходят в зону проводимости.

дельта Eд - =Ес - Eд

Эти избыточные электроны могут теперь участвовать электропроводности электропроводника поскольку дельта Eд<< дельта, то количество электронов переходящих под действием тепловой энергии или какой либо другой энергии в зону проводимости с примесных уровней значительно превышает количество электронов переходящих в зону проводимости из валентной зоны участвующих в процессе тепловой генерации пар. Энергетический уровень акцепторных примесей Ea(ris.2) лежит в запрещенной зоне вблизи валентной зоны и достаточно очень небольшой энергии чтобы электроны с верхних уровней валентных уровней переместились на уровень примесей образовав недостающие связи. Следствием этого процесса является образование в валентной зоне вакантных энергетических уровней(дырок). Очевидно, что такой примесный полупроводник обладает избыточным числом дырок, так как число электронов в зоне проводимости полупроводника по прежнему определяется собственной электропроводностью. Донорные и акцепторные уровни называют мелкими имея ввиду их малые расстояния от соответствующих разрешенных зон, однако ряд примесей имеющихся в полупроводнике или специально вводимых в него характерен глубокими уровнями, расположенными вблизи середины запрещенной зоны Eгл.(рис. 3) Кремниевые глубокие уровни характерны для атомов примесей золота меди никели и некоторых других элементов. Такие примеси обычно не являются ни донорными ни акцепторными, но ни играют важную роль в работе полупроводниковых приборов.

4600.

ПРИМЕСНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКА.

Наличие примесей существенно изменяет проводимость полупроводника. Примесные полупроводники обладают значительно лучшей электропроводностью, причем характер электропроводности зависит от примесного вещества, то есть можно получить полупроводник с электронной и дырочной проводимостью. Проводимость, вызванная присутствием в кристалле полупроводника примесей из атома с (ценой) валентностью называется примесной. Для того чтобы примесная проводимость преобладала над собственной концентрация атомов донорной или акцепторной примесей должна превышать концентрацию собственных носителей заряда равную n_i=p_i. Атомы примесей обладают энергетическими уровнями, отличающимися от уровней собственного полупроводника, уровень донора находится вблизи зоны проводимости основного полупроводника и величина дельа Ed меж энергетическим уровнем валентных электронов примесных атомов(уровень примесей) и зоны проводимости составляет примерно 0.05 ЭВ., поэтому уже при комнатной температуре почти все электроны с примесного уровня переходят в зону проводимости, в связи с этим кривая распределения Ферми - Дирака, а так же уровень Ферми Ef смещаются в верх.

 

 

 

 

В отличии от донорных примесей у акцепторных примесей валентные электроны расположены на энергетическом уровне, находящимся на непосредственной близости от зоны валентных электронов собственного полупроводника. Величина дельта E_А составляет примерно 0.05 ЭВ.

В связи с этим электроны валентной зоны легко переходят на примесный уровень, следовательно в валентной зоне появляется большое число дырок, они будут заполняться другими электронами валентной зоны на месте которых образуются новые дырки и так далее. Таким образом появляется возможность последовательного смещения электронов в валентной зоне, что обусловливает повышение проводимости полупроводника. Кривая распределения Ферми - Дирака и уровень Ферми в этом случае смещаются вниз. Полная электропроводность примесных полупроводников сигма G в общем случае определяется суммой собственной и примесной удельных проводимостей G=Gi+Gпр. С увеличением температуры подвижность носителя уменьшается, так как возрастет число столкновений носителей с атомами кристаллической решетки, сокращается средняя длина свободного пробега. В связи с этим удельная электропроводность полупроводника несколько снижается. В области положительных температур на ряду с примесной проводимостью все большую роль начинает играть собственная проводимость проводника, связанная с генерацией электронов и дырок. ПРи относительно низких температурах, когда можно пренебречь тепловой генерацией носителей удельная электропроводность примесного полупроводника определяется главным образом примесной составляющей удельной электропроводности, то есть концентрацией и подвижностью основных носителей заряда.

УРОВЕНЬ ФЕРМИ И ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ.

В термодинамике для оценки энергии элементарных процессов используется величина kT, где T - абсолютная температура, k - постоянная Больцмана. Величина kT близка к средней кинетической энергии свободных электронов, которая равна 3\2 kT обусловленной их хаотическим движением в твердом теле. В электронике энергию электронов оценивают величиной qфи, где фи - разность потенциалов, которую прошел электрон, q - элементарный заряд. Энергию qфи принято измерять в ЭВ. В теории полупроводниковых приборов термодинамические и электрические процессы тесно переплетаются, поскольку главный практический интерес представляют электрические процессы, то выразим энергию электронов kT в ЭВ, приравняв ее к qфи. kT=qфи, из этого равенства получается ода из фундаментальных величин полупроводниковой физики и техники - температурный потенциал фиТ=кТ\q, аналогично можно определить потенциалы зонных границ

фи с= Ес\ q фив=Ев\q

Потенциал в середине запрещенной зоны называется электрическим потенциалом фиЕ=Ес+Ев\2q

этот потенциал часто принимают за начало отсчета для других физическим потенциалом и называют электростатическим потенциалом полупроводника. При рассмотрении принципа работы различных полупроводниковых приборов важную роль играет понятие электрохимического потенциала или уровня Ферми. В общем случае уровень Ферми характеризует работу затрачиваемую на перенос заряженных частиц, обладающих массой и находящихся в среде, имеющей градиент электрического потенциала и какое-то количество этих частиц. Для полупроводника, находящегося в равновесном состоянии и имеющей определенную температуру произведение концентраций носителей зарядов есть величина постоянная и независящая от концентраций и распределения примесей. Собственная концентрация очень зависит от температуры через величину фиТ, с другой стороны собственная концентрация очень сильно зависит от ширины запрещенной зоны. Составляющая собственной проводимости характеризующая концентрацию носителей называются химическим потенциалом, следовательно уровень Ферми является суммой электрического и химического потенциала, отсюда еще название уровня Ферми - электрохимический потенциала.

Выводы:

1) В собственных полупроводниках у которых n = p = n_I уровень Ферми расположен в середине запрещенной зоны (1 рис.)

2) В электронных полупроводниках у которых n>ni уровень Ферми лежит в верхней половине запрещенной зоны и тем выше, чем больше концентрация электронов (2 рис.)

3) В дырочных полупроводниках у которых p>ni уровень Ферми лежит в нижней половине запрещенной зоне, и тем ниже, чем больше концентрация... (рис. 3)

4) С ростом температуры, когда примесный полупроводник постепенно превращается в собственной уровень Ферми смещается к середине заращенной зоны.

Одно из фундаментальных положений в физике полупроводников формулируется следующим образом:!!!!!! уровень Ферми одинаков во всех частях равновесной системы какой - бы разнородной она не была фиF=const.

В полупроводниках с примесной электропроводностью n - типа концентрация электронов в донорной примеси значительно превышает собственную концентрацию в довольно широком интервале температур, поэтому можно считать, что концентрация электронов в примесном полупроводнике определяется концентрацией донорной примеси. При увеличении температуры концентрация свободных носителей примесного происхождения остается постоянной, а концентрация электронно дырочных пар начинает возрастать, значит с ростом температуры концентрация электронов и дырок постепенно выравниваются и примесный полупроводник постепенно превращается в собственный. Температура такого превращения называется критической температурой.

ДРЕЙФОВЫЙ И ДУФФУЗИОННЫЙ ТОКИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ.

Ток в полупроводнике появляется, как следствие направленного перемещения носителей зарядов. Различают 2 возможных случая появления тока в полупроводнике. Ток обусловленный внешним электрическим полем получил название дрейфового тока. Ток, возникающий в результаты диффузии носителей из области, где их концентрация повышена в направлении области с более низкой концентрацией называется диффузионным током. Неравномерность концентрации носителей заряда в полупроводнике может возникнуть под действием света. нагревания, электрического поля и так далее. Если носители заряда распределены равномерно по полупроводнику, то их концентрация является равновесной. Под влиянием каких - либо внешних воздействий в разных частях полупроводника концентрация может стать не одинаковой не равновесной и возникнет дополнительная концентрация носителей, называемая избыточной, так как носители имеют собственную кинетическую энергию, то они всегда переходят из мест с более высокой концентрацией в места с меньшей концентрацией, то есть стремятся к выравниванию концентрации. После прекращения внешнего воздействия происходит процесс рекомбинации и полупроводник приходит в равновесие. Диффузионное движение подвижных носителей заряд(электронные дырки) называется диффузионным током. Этот ток так же, как и ток проводимости может быть электронным или дырочным. Плотность диффузионного тока пропорциональна отношению изменения концентрации к изменению расстояния на котором наблюдается это явление. Таким образом в общем случае в полупроводнике следует рассматривать 4 составляющих тока: дрейфовый и диффузионный для носителей каждого заряда.

J=Jдрn + Jдифn+ Jдрp+ Jдифp/

Виды рекомбинаций

В зависимости от характеров процессов различают несколько видом рекомбинаций

1) Межзонная

2) через рекомбинационные центры

3) Поверхностная

a) б)

 

В самом простом случае рекомбинация может рассматриваться, как прямой переход электрона из зоны проводимости в валентную зону на имеющейся там свободный уровень. При этом выделяется энергию, равная ширине запрещенной зоны дельтаЕ=eфиз. Эта энергия выделяется или в виде фотона (кванта электромагнитного излучения, либо в виде фонона) без излучательная рекомбинация энергия передается кристаллической решетке в виде механических колебаний. Характер излучения зависит от строения зон полупроводника. В реальном полупроводнике ширина запрещенной зоны меняется в зависимости от геометрической координаты. Если экстремумы зон совпадают (рис. а), то энергия дельтаЕ выделяется в виде фотона. При не совпадении экстремумов (рис. б) имеет место без излучательная рекомбинация с выделением фонона. Другой возможный путь рекомбинации связан с поэтапным переходом электронов через запрещенную зону. В большинстве полупроводников, используемых в настоящее время рекомбинация осуществляется через рекомбинационные центры, которые называют рекомбинационными ловушками или просто ловушками. Ловушки - атомы или дефекты кристаллической решетки, энергетические уровни которых находятся в запрещенной зоне, как правило достаточно глубоко далеко как от валентной зоны так и от зоны проводимости

 

Электрон попавший из разрешенной зоны остается на ней в течении некоторого времени - времени релаксации. После этого он может либо вернуться назад в ту же зону (вар 1 и 3 либо перейти в другую 2 и 4). В первом случае происходит небольшое временное изменение количества свободных носителей - электронов(вар. 1) или дырок(вар 3). Во втором случае происходят либо двухступенчатая рекомбинация(вар 2) либо двухступенчатая генерация электронно-дырочных пар(вар4). Вероятность двухступенчатых процессов гораздо больше чем одноступенчатых(межзонных), поэтому в присутствии ловушек процессы генерации, рекомбинации идут значительно интенсивнее и время жизни носителей оказывается значительно меньше. Энергия дельтаЕ выделяется двумя порциями. Поверхностная рекомбинация обусловлена тем, что на поверхности кристалла в результате ее окисления, адсорбции атомов примесей, наличие дефектов кристаллической решетки, вызванных механической обработкой появляются поверхностные состояния энергетические уровни которых лежат в запрещенной зоне.

 

Захват электронов глубокими уровнями особенно характерен для поверхности полупроводника, которая богата поверхностными состояниями, в зависимости от времени релаксации поверхностные состояния делятся на быстрые и медленные. Быстрые состояния характерны временами релаксации порядка 10^-3 с, а медленные - временами релаксации порядка более 10^-3 с, вплоть до нескольких секунд.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКА.

Работа выхода электрона.

Размеры атома порядка 10^-13, расстояния между атомами в 100 тыс. раз больше около 10^-8 . Электроны свободно, как газ заполняют пространство заполняют пространство между атомами кристаллической решетки в каждом кубическом сантиметре металла содержится 10²⁵ электронов. Если бы только 1 миллиардная доля % электронов отошла бы ближе к одному из краев кубика внутри металла со стороной в 1 см, то на поверхности этого кубика образовался бы заряд 10¹⁴ электронов, то есть заряд величиной порядка 10^-5 Кл и сила взаимодействия составила бы свыше 1000 Н. Поэтому самые малые изменения в скоростях или положениях электронов внутри металлов вызывают очень большие внешние эффекты, поэтому максимальная энергия электронов внутри металлов достигает десятков ЭВ. Однако выход электронов за поверхность металлов при температуре абсолютного нуля и отсутствие внешних воздействий не наблюдается. Это объясняется двумя причинами.

 

 

 

 

Во -первых, те немногие электроны, которые выходят за пределы проводника теряют большую часть своей энергии и накапливаются на поверхности металла. Между этими электронами и положительно заряженными ионами находящимися внутри металла у его поверхности образуется электрическое поле, направленное от проводника к слою электронов. Совокупность положительных ионов у поверхности металлов и электронов появляющихся над поверхность металла называется двойным электрически слоем. Условно поверхность металла можно изобразить, как слой электронов, а под ним слой положительно заряженных ионов. Для того чтобы выйти за пределы поверхности металла кинетическая энергия электрона должна быть больше потенциальной энергии этого электрона в поле поверхностного двойного электрического слоя(поверхностного плоского конденсатора), который будет определяться как Eпот=eU

Е_кин=mV2\2

Потенциал определяемый напряженностью поля и толщиной двойного электрического слоя называется потенциалом выхода металла, а работа которая необходимо затратить за поверхность металла - работа выхода электрона. Действие двойного электрического слоя на электроны, стремящегося покинуть пределы металла является тормозящим, так как этим электронам приходится лететь по направлению электрических силовых линий и отдавать свою энергию полю.

Во-вторых если некоторое количество электронов все же вышло в окружающую среду, то их можно рассматривать, как свободный заряд над поверхностью проводника. Отвлекаясь от атомной структуры проводника, поэтому силу взаимодействия электрона и металла можно вычислять как обычно в электростатике (сила взаимодействия двух противоположно заряженных тел разной массы) и, следовательно, металл будет притягивать их обратно. Это объясняется тем, что металл лишенный части электронов заряжается положительно и, следовательно, между ним и вылетевшими электронами возникает электрическое поле, препятствующая выходу новых электронов, таким образом у поверхности металла есть задерживающий барьер, равный

Евых=Екин+Епот.

Преодолеть этот барьер могут только электроны с высокой кинетической энергией, то есть с большой скоростью. Эта энергия может быть передана электрону внешним воздействием. Д ля работы электровакуумных и ионных приоров необходимы свободные электроны, которые надо ввести внутрь баллона. Для отрыва от поверхности проводника электроны должны затратить работу против электрических сил, возвращающих их обратно, то есть некоторую полную энергию.

Е_А=E_F+E₀ E₀ - работа выхода

Работа по перемещению электрона из проводника в окружающее пространство равна произведению заряда электрона e на пройденную разность потенциалов фи₀, поэтому

E0=E_A - E_F = eфи0

Эта работа измеряется в ЭВ. 1 ЭВ равен работе, которую совершает электрическое поле при перемещении одного электрона и другой частицы, обладающей элементарным зарядом между точками поля напряжением между которыми равно 1 В.

Диаграмма изменения энергии

 

 

 

В целом кривая изображает потенциальный барьер, удерживающий электроны в металле. Участок АБ соответствует максимальной энергии электрона внутри металла. Высота потенциального барьера определяет полную энергию Е_А которую электрон должен иметь для вылета из металла. Разность этих энергий соответствует работе выхода электрона в Е₀. Величина работы выхода твердых тел зависит от из структуры и является физической характеристикой тела. Чем меньше у данного проводника работа выхода, тем меньшей должна быть затрата энергии для получения свободных электронов вне этого проводника. Выход электронов возможен также из полупроводников и диэлектриков, однако при этом работа затрачивается не только на преодоление тормозящих электрических сил, но и на возбуждение электронов переходящих из валентной зоны в зону проводимости. Полная работа выхода полупроводников равна сумме ефи=ефиi+eфи0, где ефии - работа затрачиваемая на перевод электронов из валентной зоны в зону проводимости, ефи0 - работа, необходимая для выхода электронов проводимости за поверхность полупроводника.

Итог: работа выхода это энергия которую необходимо сообщить электронам, находящемуся внутри твердого тела вблизи его поверхности, чтобы он смог оторваться от поверхности твердого тела. Для этого электрон должен иметь значительную энергию, чтобы преодолеть поверхностный потенциальный вред. Работа выхода любого вещества определяется такими физическими факторами, как степень загрязнения поверхности температурой тела и постоянной кристаллической решеткой вещества. В общем случае можно сказать, что величина работы выхода обратно пропорциональна постоянной решетке вещества. Таким образом, если есть электроны металлов или полупроводников сообщается из вне дополнительная энергия, то вызод электронов из тела оказывается возможным - происходит электронная эмиссия.

ВИДЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ.

Если электронов металлов или полупроводников сообщается из вне дополнительная энергия, то оказывается возможным выход электрона из вещества, происходит электронная эмиссия. Электронной эмиссией называют процесс выхода электронов из твердых или жидких тел в вакууме или газе. Для получения потока свободных электронов в электронных приборах имеется специальный металлический или полупроводниковый электрод - катод. Чтобы вызывать электронную эмиссию надо сообщить электронам добавочную энергию, которую называют работой выхода. Работа выхода различна для разных металлов и полупроводников, и чем она больше, тем труднее вызвать электронную эмиссии. В зависимости от способа сообщения электронам добавочной энергии различают следующие виды электронной эмиссии:

1) Термоэлектронную, при которой дополнительная энергия сообщается электронам в результате нагрева катода.

 

2) Фотоэлектронную, при которой на поверхность катода воздействует электромагнитное излучение.

3) Вторичную электронную, являющуюся результатом бомбардировки катода потоком электронов или ионов, двигающихся с большой скоростью.

4) Электростатическую при которой сильное электрическое поле у поверхности катода создает силы способствующие выхода электронов за ее пределы.

САМОСТОЯТЕЛЬНО РАССМОТРЕТЬ БОЛЕЕ ПОДРОБНО КАЖДЫЙ ИЗ ПЕРЕЧИСЛЕННЫХ ВИДОВ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ.

ЭФФЕКТ ПОЛЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ, РЕЖИМ ОБОГАЩЕНИЯ О ЕБЕДНЕНИЯ КАНАЛОВ

Эффектом поля называют изменение концентрации носителей, а значит и проводимости в приповерхностном слое полупроводника под действием электрического поля. Слой с повышенной(по сравнению с объемом) концентрацией основных носителей называют обогащенным, а слой с пониженной их концентрацией обедненным. Сущность эффекта состоит в следующем

 

 

 

 

Сущность эффекта состоит в следующем: пусть между металлической пластинкой и полупроводником, разделенными диэлектриком(например воздухом) заданно напряжение U. В этой системе МДП протекание тока невозможно, поэтому такая система равновесна и представляет собой своеобразный конденсатор у которого одна из обкладок полупроводниковая. На этой обкладке будет наведен такой же заряд, как и на металлической, однако в отличие от металла заряд в полупроводнике не сосредотачивается на поверхности, а распределяется на некоторое расстояние вглубь кристалла. Электрическое поле, созданное напряжением U распределяется между диэлектриком и полупроводником. Поле в диэлектрике E_Д, так как в диэлектрике нет объемных зарядов, а поле в полупроводнике заведомо непостоянное, так как заряд спадает от поверхности вглубь полупроводника. Знак заряда в полупроводнике зависит от полярности приложенного напряжения. При отрицательной полярности наведенный заряд положительный. В дырочном полупроводнике положительный заряд обусловлен дырками, которые притянулись к поверхности, а в электронном полупроводнике - ионами доноров от которых оттолкнулись электроны, скомпенсировавшие их заряд. Значит в первом случае происходит обогащение, а во втором - обеднение при поверхностного слоя основными носителями. При положительной полярности напряжения наоборот, в электронном полупроводнике происходит обогащение приповерхностного слоя электронами, а в дырочном - обеднение дырками и обнажение отрицательных акцепторных ионов. Протяженность подвижных зарядов в обогащенном слое называют длиной Девая или глубинойпроникновения электрического поля в полупроводник. Обогащенные и обедненные слои оказываются тем тоньше, чем больше концентрация примесей, а значит и концентрация основных носителей, иначе говоря!!! тонкие слои свойственны низкоомным полупроводникам, а толстые высокоомным. Если принять потенциал в объеме полупроводника, равный 0, то потенциал поверхности будет отличен он 0 благодаря наличию зарядов между объемом и поверхностью. Разность потенциалов между поверхностью и объемом называют поверхностным потенциалом и обозначают через фиS. Как уже отмечалось электрическое поле распределяется между диэлектриком и полупроводником. Поле в диэлектрике возрастает при уменьшении расстояния d при этом может произойти пробой диэлектрика, но даже в вакууме, где пробой невозможен расстояние d не может быть произвольно малым. При условии d<10 микрон, диэлектрик становится проницаемым для подвижных носителей, благодаря туннельному эффекту, при этом структура МДП перестает быть аналогом конденсатора: обмен носителями через диэлектрик вызывает протекание тока, а значит нарушает равновесное состояние. Наличие тока приводит к уменьшению заряда на обкладках вплоть до их полного исчезновения при соприкосновении металла с полупроводником, когда в системе протекает обычный ток проводимости. Характерная особенность эффекта поля - искривление энергетических зон вблизи границы полупроводника

 

 

 

 

Полупроводник - диэлектрик, если изменить полярность напряжения, то знак объемного заряда изменится и зоны искривятся в другую сторону(вниз). Однако при обоих полярностях при поверхностный слой в собственном полупроводнике оказывается обогащенным(либо электронами, либо дырками). Особенностью эффекта поля в примесных полупроводника по сравнению с собственным является возможность получения. как обогащенных, так и обедненных слоев

Различают следующие виды эмиссии:

1. Термоэлектронная эмиссия – это эмиссия, при которой электроны получают энергию за счет нагрева металла или полупроводника (электронные лампы, газотроны, тиратроны).

2. Автоэлектронная эмиссия возникает за счет действия сильного электрического поля (используется в ртутных колбах).

3. Вторичная электронная эмиссия. При этом виде эмиссии электроны получают энергию за счет бомбардировки металла потоком первичных электронов (используется в фотоэлектронных умножителях).

4. Фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект).

Явление электронной эмиссии при освещении поверхности твердых тел впервые исследовано А. Г. Столетовым 1888 году при этом виде эмиссии электроны получают энергию за счет облучения металла лучистым потоком (фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды). Выходу электронов из твердого тела препятствуют электрические силы взаимодействия. Наивысшая энергия, которой может обладать электрон в твердом теле, недостаточна для преодоления этих сил.

Если электрон выйдет за пределы твердого тела, то оно зарядится положительно. В результате возникает электрическое поле, которое стремиться вернуть электрон назад. Уровень энергии, которой обладает электрон в вакууме выше уровня его энергии в твердом теле (металле) на величину, которая называется работой выхода электрона.

W_o = W _α − W _β = e_э φ,

где W _α – энергия электрона в вакууме,

W _β – максимальная энергия электрона в металле при низких температурах, e_э –заряд электрона, φ – разность потенциалов.

Работа выхода может значительно изменяться, если на поверхность металла и полупроводника нанести тонкий слой другого вещества, атомы которого могут отбирать электроны у металла или отдавать их ему.

· Термоэлектронная эмиссия

Электронную эмиссию, возникающую в результате нагрева, называют термоэлектронной эмиссией (ТЭ). Явление ТЭ широко используют в вакуумных и газонаполняемых приборах.

· Электростатическая или Автоэлектронная эмиссия

Электростатической (автоэлектронной эмиссией) называют эмиссию электронов, обусловленную наличием у поверхности тела сильного электрического поля. Дополнительная энергия электронам твёрдого тела при этом не сообщается, но за счёт изменения формы потенциального барьера они приобретают способность выходить в вакуум.

· Фотоэлектронная эмиссия

Фотоэлектронная эмиссия (ФЭ) или внешний фотоэффект — эмиссия электронов из вещества под действием падающего на его поверхность излучения. ФЭ объясняется на основе квантовой теории твёрдого тела и зонной теории твёрдого тела.

· Вторичная электронная эмиссия

Испускание электронов поверхностью твёрдого тела при её бомбардировке электронами.

· Ионно-электронная эмиссия

Испускание электронов металлом при его бомбардировке ионами.

· Взрывная электронная эмиссия

Испускание электронов в результате локальных взрывов микроскопических областей эмиттера.

· Криогенная электронная эмиссия

Испускания электронов ультрахолодными, охлаждёнными до криогенных температур поверхностями. Мало изученное явление.

КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Однородные полупроводники и однородные полупроводниковые слои находят весьма узкое применение, они непосредственно используются только в виде разного рода резисторов. Основные же элементы интегральных схем (ИС) и основная масса дискретных полупроводниковых приборов представляет собой сугубо неоднородные структуры. Два важнейших варианта таких структур- так называемый p-n -переход (контакт двух полупроводников с разным типом проводимости и структура МП (контакт металла с полупроводником). Электрический переход в полупроводнике - это граничный слой(контакт) между двумя областями физические характеристики которых существенно различаются. Переходы между двумя областям полупроводника с различным типом электропроводности называют электронно-дырочными или pn переход

 

p n

 

Переходы между двумя полупроводниковыми материалами, имеющими различную ширину запрещенной зоной называют гетеропереходами. Если одна из областей образующих переход является металлом, то такой переход называют переходом металл-полупроводник.

!!! электрические переходы нельзя создать путем механического контакта двух областей с разыми физически свойствами, хотя при рассмотрении физических процесса такая абстракция обычно используется. !!! Это объясняется тем, что поверхности кристаллов обычно "загрязнены" оксидами а атомами других веществ. Существенную роль играет воздушный зазор, устранить который при механическом контакте практически невозможно. Поэтому переходы создают технологическим соединением разнородных материалов. Эти переходы получают например: в плавлением или диффузией соответствующих примесей в пластинке монокристалла полупроводника, а также путем выращивания p-n - переходы из расплава полупроводника с регулируемым количеством примесей. В зависимости от способа приготовления p-n - переходы бывают: сплавными, диффузионными или выращенными.

ЭЛЕКТРОННО ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Электронно дырочный переход между двумя областями полупроводника, имеющими различный тип электропроводности. Область, разделяющая полупроводник на 2 части с разнотипной проводимостью называется электронно дырочным переходом или p - n - переходом, который является основой большинства полупроводниковых приборов. Явления, происходящие в электронно-дырочном переходе лежат в основе работы большинства полупроводниковых приборов. Различают плоскостные и точечные p-n- переходы.

вывод

p

p

n переход n

 

 

Плоскостной p-n- переход представляет собой(а) слоисто - контактный элемент в объеме кристалла с линейными размерами значительно превышающими его толщину на границе двух полупроводников с электропроводностями p и n типа. Точечный p-n- переход(б) имеют полусферическую форму очень малого диаметра. При формировании точечного p-n-перехода через очечный контакт острия (диаметр 10-20 микрон) металлической пружины с полупроводником основной массы кристалла n - типа пропускают в течение долей секунды импульс ток, сравнительно большей мощности, при этом в микрообъеме под острием пружины изменяется тип электропроводности, благодаря диффузии примесей из острия пружины в полупроводник. На границе раздела p и n слоев образуется полусферический p--n- переход диаметров порядка десятков микрон. Поверхность по которой контактируют p и n типов называют металлургической границей. Электронно-дырочные переходы классифицируются по резкости металлургической границы и по соотношению удельных сопротивлений слоев. В зависимости от характера распределения примесей обеспечивающих требуемый тип электропроводности в областях различают два типа переходов: резкий ( ступенчатый)и плавный. В резком переходе концентрации примесей на границе раздела областей изменяются на расстоянии соизмеримом с диффузионной длиной; плавном на расстоянии значительно большим диффузионной длины. Резкость границы играет существенную роль так, как в плавном переходе трудно получить те вентильные свойства, которые необходимы для работы диодов и транзисторов. Ступенчатыми переходами называют переходы с идеальной границей по одну сторону которой находятся доноры с постоянной концентрацией N_Д , а с драгой акцепторы с постоянной концентрацией NA. Такие переходы наиболее просто для анализа, и поэтому все реальные переходы стараются, если это возможно рассматривать, как ступенчатые. Компенсированным полупроводником называется полупроводник с равной концентрацией донорных и акцепторных примесей. По отношению концентраций примесей в p и n слоях переходы делят на: симметричные, не симметричные и односторонние. Симметричные переходы характерны условиям, когда NД = N_A. Симметричные переходы не типичны для полупроводниковой техники. Главное распространиние имеют не симметричные переходы, у которых концентрации не одинаков N_Д ne ravno N_A. В случае резкой ассиметрии, когда концентрации примесей, а значит и основных носителей различаются на один-два порядка и более переходы называются односторонними.

 

ФОРМИРОВАНИЕ P-N- ПЕРЕХОДА

-

-

NA

NД

n p

 

 

Рассмотрим явление возникающее при электрическом контакта n и p типа с концентрацией одинаковой донорных и акцепторных примесей(а). Будем считать, что на границе раздела(x₀) тип примесей резко изменяется. Существование электронно-дырочного перехода обусловлено различием концентрации подвижных носителей заряда электронной и дырочной областей полупроводника. В следствии того, что концентрация электронов в n области выше чем в p, а концентрация дырок в p области выше, чем в n области на границе этих областей существует градиент концентраций носителей, вызывающий диффузионный ток электронов из n - области в p - область(поток 1, рис. а), и диффузионный ток дырок из p области в n область (поток 2, рис. а), кроме тока обусловленного движением основных носителей заряда через границу раздела полупроводников возможен ток не основных носителей (электронов из p область в n область и дырок из n области в p область) потоки не основных носителей обозначены 3 i 4. В следствии существенногоo различия основных и не основных носителей и ток обусловленный основными носителями заряда будет преобладать над током не основных носителей Если бы электроны и дырки были нейтральными то диффузия в конечном итоге привела бы к полному выравниванию их концентрации. Пространственные заряды в переходе образуют электрическое поле направленное от положительно заряженных ионов донор к отрицательно заряженным донорам акцепторов.

 

 

Это поле является тормозящим для основных носителей заряда и ускоряющим для не основных. Теперь любой электрон проходящий из электронной области в дырочную попадает в электрическое поле стремящееся его возвратить обратно в электронную область. Точно также и дырки попадая из p - область в электрическое поле p-n- перехода будут возвращены этим полем обратно в p - область. Что же касается не основных носителей заряда, то они совершая хаотическое тепловое движение (дрейфуя) могут попасть в зону p-n-перехода. В этом случае ускоряющее поле перехода вытолкнет их за пределы перехода. На рисунке (б) показано распределение напряженности поля в p-n- переходе. Наибольшая велечина напряженности Е наблюдается в сечении x₀ поскольку через это сечение проходят все силовые линии, начинающиеся на положительных зарядах расположенное левее x