Материал: UnEncrypted

Рисунок 6.7 – Виникнення контактної різниці потенціалів між двома металами

Тому потенціальна енергія електрона, що знаходиться на нульовому рівні негативно зарядженого провідника, буде на W=qV більша потенціальної енергії електрона, розташованого на нульовому рівні позитивно зарядженого провідника. А це і означає, що нульовий рівень провідника 2 розташовується на W=qV вище нульового рівня позитивно зарядженого провідника.

Подібний зсув зазнають всі енергетичні рівні провідників 1 і 2, у тому числі і рівні Фермі m1 і m2 .

Як тільки рівень Фермі провідника 1, що безперервно знижується ( m1 ) і рівень Фермі провідника 2 ( m2 ), що безперервно підвищується,

виявляються на одній висоті, причина, що викликала переважне перетікання електронів з провідника 1 в провідник 2, зникає, оскільки проти заповнених рівнів провідника 1 розташовуються тепер заповнені з тим же ступенем заселеності рівні провідника 2. Між провідниками встановлюється рівновага, якій відповідає рівноважна різниця потенціалів між ними рівна

Її називають контактною різницею потенціалів (contact variance potential). Як видно з (6.3), вона визначається різницею робіт виходу

електронів з контактуючих провідників. За абсолютним значенням Vн

коливається від десятих часток до одиниць вольт. З рис. 6.7, б витікає, що контактна різниця потенціалів створює для електронів, перехідних в

провідник з більшою роботою виходу, потенціальний бар'єр висотою qVk .

65

Одержаний результат справедливий для будь-яких способів обміну двох матеріалів електронами, у тому числі і шляхом термоелектронної емісії у вакуум, через зовнішнє коло і т.д.

Контактна різниця потенціалів може відігравати велику роль в роботі електровакуумних приладів, електроди яких (катод, анод, сітки і ін.) виготовляються, як правило, з різнорідних металів. Контактна різниця потенціалів, що виникає між такими електродами, складається із зовнішньою різницею потенціалів і робить безпосередній вплив на ВАХ приладів. Зміна контактної різниці потенціалів може привести до нестабільності роботи цих приладів. Контактні явища лежать також в основі роботи багатьох напівпровідникових і інших твердотільних приладів і пристроїв.

6.4 Електронно-дірковий перехід. Методи отримання р-п-переходу

Прогрес в розвитку напівпровідникової електроніки зв'язаний з використанням контакту двох домішкових напівпровідників з різним типом провідності. Такий контакт одержав назву електронно-діркового переходу або р-п-переходу. Виготовити його шляхом механічного прилягання двох напівпровідників практично неможливо. Поверхня напівпровідників, як би ретельно вона не була очищена, містить величезну кількість домішок, забруднень і дефектів, що різко змінюють властивості напівпровідника. Тому успіх в освоєнні р-n-переходів був досягнутий лише тоді, коли навчилися робити їх у вигляді внутрішньої межі в монокристалічному напівпровіднику.

Розглянемо стисло основні методи отримання р-n-переходів.

Метод сплаву (сплавні р-n-переходи). Це один з найпоширеніших методів отримання переходів. Сутність його розглянемо на прикладі отримання р-n переходу шляхом сплаву германію n типу з індієм.

На кристал n-германія 1 кладеться індій 2 (рис. 6.8, а). Кристал поміщається в графітну касету 3 і витримується в печі при 500 – 600° С в атмосфері водню або аргону. При цьому індій розплавляється і у вигляді краплі 4 розчиняє в собі германій (рис. 6.8, б). При повільному охолоджуванні з розплаву випадає германій 5, насичений індієм. Він кристалізується у формі монокристала, орієнтованого однаково з монокристалом підкладки. Оскільки германій, що містить індій, має р- провідність, то на межі розплаву і монокристала германію, що має n- провідність,створюється р-n-перехід, що закристалізовується (рис. 6.8, в). Крапля індію 6 на поверхні германію відіграє роль омічного контакту, що має практично лінійну ВАХ. Такі контакти використовуються для під'єднування приладів в коло.

Метод витягування (витягнуті р-n-переходи). Сутність методу полягає в тому, що при витягуванні монокристала з розплаву (при виготовленні

66

напівпровідникового монокристала) в нього вводять спочатку домішку, надаючи йому n-провідність, а потім р-провідність. Між двома такими частинами монокристала утворюється р-n-перехід.

Дифузійний метод (дифузійні р-n-переходи). Електронно-дірковий перехід може бути одержаний також дифузією акцепторної домішки в донорний напівпровідник або донорної домішки в акцепторний напівпровідник. Дифузію можна вести з газоподібної, рідкої або твердої фази. Глибина проникнення домішки і залягання р-n-переходу визначається температурою і часом проведення дифузії. Переходом служить межа, що відділяє області з різним типом провідності.

Рисунок 6.8 – Отримання р-n-переходу методом сплаву

Епітаксійний метод. Він полягає в осадженні на пластину, наприклад, кремнію n-типу, монокристалічної плівки кремнію р-типу. На межі цієї плівки і пластини утворюється р-n-перехід.

Метод іонного легування. Сутність методу полягає в тому, що поверхневий шар напівпровідника даного типу провідності за допомогою іонного пучка легується домішкою, що надає цьому шару провідність протилежного знаку.

6.5 Рівноважний стан р-п переходу

Нехай внутрішньою межею поділу двох областей напівпровідника з різним типом провідності є площина ММ (рис. 6.9, а): зліва від неї знаходиться напівпровідник р-типу, наприклад, р-германий з концентрацією

акцепторів Na , справа – напівпровідник n типу (n-германій) з концентрацією донорів N Д . Для простоти вважатимемо, що Na = N Д і дорівнює, наприклад,

1022 м-3. На рис. 6.9, б показана зміна концентрації акцепторних і донорних атомів при переміщенні уздовж осі х, перпендикулярної площини ММ. В точці 0, яка лежить в цій площині, Na стрибкоподібно зменшується до нуля, а NД стрибкоподібно збільшується від нуля до NД.

Для n-області основними носіями є електрони, для р-області – дірки. Основні носії виникають внаслідок іонізації донорних і акцепторних

67

домішок. При не дуже низьких температурах ці домішки іонізовані практично повністю, внаслідок чого концентрацію електронів в n-області nn0 можна вважати рівною концентрації донорних атомів: nn0= NД, а концентрацію дірок в р-області pp0 – концентрації акцепторних атомів в р- області: pp0 Na.

Крім основних носіїв ці області містять неосновні носії: n-область – дірки (pn0), р-область – електрони (np0). Їх концентрацію можна визначити, користуючись законом діючих мас: nn0pn0 = pp0nn0=ni2. При nn0 = pp0 = 1022м-3 і ni = 1019 м- 3 (Ge) одержуємо pn0 = np0 = 1016 м- 3 .

Як бачимо, концентрація дірок в р-області на 6 порядків вища, ніж концентрація їх в n-області, так само концентрація електронів в n-області на 6 порядків вища їх концентрації в р-області. Така відмінність в концентрації однотипних носіїв в контактних областях напівпровідника приводить до виникнення дифузійних потоків електронів з n-області в р-область і дірок з р- області в n-область. При цьому електрони, що перейшли з n- в р-область, рекомбінують поблизу межі поділу цих областей з дірками р-області, так само дірки, що перейшли з р- в n-область, рекомбінують тут з електронами цієї області. В результаті цього в приконтактному шарі n-області практично не залишається вільних електронів і в ньому формується

нерухомий об'ємний додатний заряд іонізованих донорів (рис. 6.9, а).

В приконтактному шарі р-області практично не залишається дірок і в ньому формується нерухомий об'ємний негативний заряд іонізованих акцепторів. На рис. 6.9, в показано розподіл вільних носіїв заряду в області р-n-переходу, а на рис. 6.9,г – нерухомі об'ємні заряди, що утворилися в цьому переході (р – об'ємна густина цих зарядів). Позначимо товщину шару об'ємного заряду в р-області через dр, в n- області через dп, загальну товщину через d.

Нерухомі об'ємні заряди створюють в р-n-переході контактне електричне поле з різницею потенціалів Vk, локалізоване в області переходу і практично не виходить за його межі. Тому зовні цього шару, де поля немає, вільні носії заряду рухаються, як і раніше, хаотично і число носіїв, які щомиті натрапляють на шар об'ємного заряду, залежить тільки від їх концентрації і швидкості теплового руху.

68

Рисунок 6.9 – Рівноважний стан р-n-переходу

Як випливає з кінетичної теорії газів, для частинок, що підлягають класичній статистиці Максвелла – Больцмана, це число п визначається таким співвідношенням:

n = 1/4n0(υ)S (6.5)

де n0 – концентрація частинок; υ – середня швидкість теплового руху; S – площа, на яку вони падають.

Неосновні носії – електрони з р-області і дірки з n-області, потрапляючи в шар об'ємного заряду (рис. 6.9, г), підхоплюються

контактним полем Vк і переносяться через р-n-перехід. Позначимо

потік електронів, перехідних з р- в n-область, через np→n потік дірок, перехідних з n- в р-область, через pn→p. Згідно з (6.5) маємо