Материал: Физические основы электроники

Различают барьерную (или зарядную) и диффузионную емкость р–n-перехода.

Барьерная емкость соответствует обратно включенному p–n-переходу, который рассматривается как обычный конденсатор, где пластинами являются границы обедненного слоя, а сам обедненный слой служит несовер-

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала; ε0 – электрическая постоянная (ε0 8,86 10 12 Фм );

S – площадь p–n-перехода; δ – ширина обедненного слоя.

Барьерная емкость возрастает при увеличении площади p– n-перехода и диэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении ширины обедненного слоя. В зависимости от площади перехода Сбар может быть от единиц до сотен пико-

фарад.

Особенностью барьерной емкости является то, что она является нелинейной емкостью. При возрастании обратного напряжения ширина перехода увеличивается и емкость Сбар

уменьшается. Характер зависимости Сбар f Uобр показывает график на рис. 1.22. Как видно, под влиянием Uпроб емкость Сбар изменяется в несколько раз.

Cбар, пФ

20

10

Рис. 1.22. Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения

36

Диффузионная емкость 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. Каждому значению прямого напряжения соответствуют определенные значения двух разноименных зарядовQдиф и Qдиф , накопленных в n- и p-областях за счет диффузии носи-

телей через переход. Емкость Сдиф представляет собой отношение зарядов к разности потенциалов:

С увеличением Uпр прямой ток растет быстрее, чем напряжение,

т. к. вольт-амперная характеристика для прямого тока имеет нелинейный вид, поэтому Qдиф растет быстрее, чем Uпр , и Сдиф увеличивается.

Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, т. к. она шунтируется малым прямым сопротивлением p–n-перехода. Численные оценки величины диффузионной емкости показывают, что ее значение доходит до нескольких единиц микрофарад.

Таким образом, р–n-переход можно использовать в качестве конденсатора переменной емкости, управляемого величиной и знаком приложенного напряжения.

1.7.6.Контакт «металл–полупроводник»

Всовременных полупроводниковых приборах, помимо контактов

сp–n-переходом, применяются контакты «металл–полупроводник». Контакт «металл–полупроводник» возникает в месте соприкосно-

вения полупроводникового кристалла n- или р-типа проводимости с металлами. Происходящие при этом процессы определяются соотношением работ выхода электрона из металла Aм и из полупроводникаAп . 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

37

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, т. к. концентрация носителей заряда в металле значительно больше концентрации носителей заряда в полупроводнике. Перераспределение электронов в металле происходит

вочень тонком слое, сравнимом с межатомным расстоянием.

Взависимости от типа электропроводности полупроводника и соотношения работ выхода в кристалле может возникать обедненный, инверсный или слой, обогащенный носителями электрических зарядов:

1.Aм Ап , полупроводник n-типа (рис. 1.23, а). В данном случае

будет преобладать выход электронов из металла (М) 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 свой-

ством. Его иначе называют невыпрямляющим переходом.

2. Aп Ам , полупроводник p-типа (рис. 1.23, б). В этом случае бу-

дет 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.

Рис. 1.23. Контакт «металл–полупроводник», не обладающий выпрямляющим свойством

38

3. Aм Ап, полупроводник n-типа (рис. 1.24, а). При таких услови-

ях электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл, и в приграничном слое полупроводника образуется область, обедненная основными носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Здесь 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.

Рис. 1.24. Контакт «металл–полупроводник», обладающий выпрямляющим свойством

4. Aп Ам , полупроводник p-типа (рис. 1.24, б). Контакт, образо-

ванный при таких условиях, обладает выпрямляющим свойством, как и предыдущий. Отличительной особенностью контакта «металл – полупроводник» является то, что, в отличие от обычного p–n-перехода, здесь высота потенциального барьера для электронов и дырок разная. В результате такие контакты могут быть при определенных условиях неинжектирующими, т. е. при протекании прямого тока через контакт в полупроводниковую область не будут инжектироваться неосновные носители, что очень важно для высокочастотных и импульсных полупроводниковых приборов.

1.7.7. Контакт между полупроводниками одного типа проводимости

Области вблизи контакта полупроводников с одним типом проводимости, но с различной концентрацией примесей обычно обозначают

p – p - или n – n -переход, причем знаком « » обозначают полупроводник с большей концентрацией примесей. На рис. 1.25 приведен пример контакта p p , где обе области полупроводника обладают электропроводностью р-типа.

39

Процессы вблизи такого контакта аналогичны происходящим в р–n-переходе, т. е. носители из области с большой концентрацией переходят в область с меньшей концентрацией, в результате чего в обла-

сти p возникает объемный заряд из нескомпенсированных зарядов ионов примеси, а в области p – объемный заряд из избыточных носите-

лей – дырок, перешедших из области p . Появление объемных элек-

трических зарядов приводит к образованию диффузионного электрического поля Eдиф и контактной разности потенциалов. Но в отличие от

обычных р–n-переходов здесь отсутствует запирающий слой, т. к. здесь не может быть области с концентрацией меньшей, чем в слаболегированном полупроводнике. Поэтому такие контакты вентильным свойством не обладают, но зато в них при любой полярности приложенного напряжения не происходит инжекции из низкоомной области в высокоомную, что является важным для некоторых типов полупроводниковых

приборов. Аналогичные процессы протекают в контакте n – n .

Рис. 1.25. Переход между двумя областями с одним типом электропроводности,

отличающимися значениями концентрации примесей

1.7.8. Гетеропереходы

Гетеропереходом называют переходный слой с существующим там диффузионным электрическим полем между двумя различными по химическому составу полупроводниками, обладающими различной шириной запрещенной зоны.

Для получения гетеропереходов хорошего качества необходимо, чтобы у материалов, образующих переход с высокой точностью, совпадали два параметра: температурный коэффициент расширения и постоянная кристаллической решетки, что ограничивает выбор материалов для гетеропереходов. В настоящее время наиболее исследованными яв-

40