Материал: Физические основы электроники

ляются пары: германий – арсенид галлия (Ge GaAs ), арсенид галлия – фосфид индия (GaAs InP ), арсенид галлия – арсенид индия

(GaAs InAs ), германий – кремний (Ge Si ).

Каждый из полупроводников, образующих гетеропереход, может иметь различный тип электропроводности. Поэтому для каждой пары полупроводников в принципе возможно осуществить четыре типа гете-

роструктур: p1 n2 ; n1 n2 ; n1 p2 и p1 p2 .

При образовании гетероперехода (рис. 1.26) из-за разных работ выхода электронов из разных полупроводников происходит перераспределение носителей заряда в приконтактной области и выравнивание уровней Ферми в результате установления термодинамического равновесия. Остальные энергетические уровни и зоны должны соответственно изогнуться, т. е. в гетеропереходе возникают диффузионное поле и контактная разность потенциалов. При этом энергетический потолок верхней свободной зоны должен быть непрерывным. Энергетический уровень потолка верхней свободной зоны является энергетическим уровнем потолка зоны проводимости, т. к. свободныеэнергетическиезоныперекрываютдругдруга.

Рис. 1.26. Зонные энергетические диаграммы гетеропереходов:

а– выпрямляющий гетеропереход между полупроводниками p- и n-типа

спреимущественной инжекцией электронов в узкозонный полупроводник;

б– выпрямляющий гетеропереход между полупроводниками n-типа без инжекции неосновных носителей заряда

Ширина энергетических зон различных полупроводников различна, поэтому на границе раздела двух полупроводников получается обычно разрыв дна проводимости. Разрыв дна зоны проводимости определяется различием энергий сродства к электрону двух контактирующих полу-

41

проводников (энергия сродства к электрону – разница энергий потолка верхней свободной зоны и дна проводимости).

В результате разрывов дна зоны проводимости и потолка валентной зоны высота потенциальных барьеров для электронов и дырок в гетеропереходе оказывается различной. Это является особенностью гетеропереходов, обусловливающей специфические свойства гетеропереходов, в отличие p–n-переходов, которые формируются в монокристалле одного полупроводника.

Если вблизи границы раздела двух полупроводников, образующих гетеропереход, возникают обедненные основными носителями слои, то основная часть внешнего напряжения, приложенного к структуре с гетеропереходом, будет падать на обедненных слоях. Высота потенциального барьера для основных носителей заряда будет изменяться: уменьшается при полярности внешнего напряжения, противоположной полярности контактной разности потенциалов, и увеличивается при совпадении полярностей внешнего напряжения и контактной разности потенциалов. Таким образом, гетеропереходы могут обладать выпрямляющим свойством.

Из-за различия по высоте потенциальных барьеров для электронов (ПБЭ) и дырок (ПБД) прямой ток через гетеропереход связан в основном с движением носителей заряда только одного знака. Поэтому гетеропереходы могут быть как инжектирующими неосновные носители заряда (рис. 1.26, а), так и неинжектирущими (рис. 1.26, б). Инжекция неосновных носителей заряда происходит всегда из широкозонного в узкозонный полупроводник. В гетеропереходах, образованных полупроводниками одного типа электропроводности, выпрямление происходит без инжекции неосновных носителей заряда.

1.7.9. Свойства омических переходов

Основное назначение омических переходов – электрическое соединение полупроводника с металлическими токоведущими частями полупроводникового прибора. Омических переходов в полупроводниковых приборах больше, чем выпрямляющих. Случаи производственного брака и отказов работы полупроводниковых приборов из-за низкого качества омических переходов довольно часты. При разработке полупроводниковых приборов создание совершенных омических переходов нередко требует больших усилий, чем создание выпрямляющих переходов.

Омический переход имеет меньшее отрицательное влияние на параметры и характеристики полупроводникового прибора, если выполняются следующие условия:

если вольт-амперная характеристика омического перехода линейна, т. е. омический переход действительно является омическим;

42

если отсутствует инжекция неосновных носителей заряда через омический переход в прилегающую область полупроводника и накопление неосновных носителей в омическом переходе или вблизи него;

при минимально возможном падении напряжения на омическом переходе, т. е. при минимальном его сопротивлении.

Структура реального омического контакта в полупроводниковых

приборах, в соответствии с перечисленными требованиями, имеет сложное строение и состоит из нескольких омических переходов (рис. 1.27).

Рис. 1.27. Структура реального невыпрямляющего контакта с последовательно соединенными омическими переходами

Для уменьшения вероятности накопления неосновных носителей заряда около омического перехода между металлом и полупроводником высота потенциального барьера для неосновных носителей заряда должна быть как можно меньше. Для этого необходимо подобрать металл и полупроводник с равной или близкой работой выхода электрона: Aм Aп . Так как это трудно обеспечить, то поверхностный слой полу-

проводника должен быть сильно легирован соответствующей примесью для обеспечения возможности туннелирования носителей заряда сквозь тонкий потенциальный барьер.

Вблизи омического перехода между полупроводниками с одним типом электропроводности, но с различной концентрацией примеси также может происходить накопление неосновных носителей заряда. Для уменьшения влияния этого эффекта на параметры и характеристики полупроводникового прибора в поверхностный слой полупроводника вводят примеси рекомбинационных ловушек (например, золото), что уменьшает время жизни носителей заряда в этой части структуры. При этом накопленные носители заряда будут быстрее рекомбинировать.

43

Контрольные вопросы и задания

1.Что такое разрешенные и запрещенные энергетические зоны?

2.Что такое уровень Ферми?

3.Как влияет концентрация примеси на положение уровня Ферми?

4.Что такое собственная электропроводность полупроводника?

5.Что такое диффузия и дрейф носителей заряда?

6.Как объяснить температурную зависимость концентрации носителей заряда в полупроводнике?

7.Что такое примесная электропроводность полупроводника?

8.Поясните механизм образования электронно-дырочного перехода.

9.Что такое инжекция и экстракция носителей заряда?

10.Как влияет внешнее напряжение на высоту потенциального барьера и ширину p–n-перехода?

11.Нарисуйте вольт-амперную характеристику p–n-перехода и напишите ее уравнение.

12.Объясните механизм лавинного пробоя.

13.При каких условиях в p–n-переходе возможен туннельный пробой?

14.Что такое барьерная емкость p–n-перехода?

15.Что такое диффузионная емкость?

16.Почему электрический переход между двумя одинаковыми полупроводниками с одним типом электропроводности, но с разной концентрацией примесей является омическим и неинжектирующим носители заряда в высокоомную область?

17.При каких условиях контакт «металл–полупроводник» будет невыпрямляющим?

18.При каких условиях контакт «металл–полупроводник» будет выпрямляющим?

19.В чем состоят особенности гетероперехода?

20.Каким требованиям должны удовлетворять омические переходы?

44

2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

2.1. Общие сведения о диодах

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего электрического перехода.

Вполупроводниковых диодах выпрямляющим электрическим переходом может быть электронно-дырочный (p–n) переход, либо контакт «металл–полупроводник», обладающий вентильным свойством, либо гетеропереход.

Взависимости от типа перехода полупроводниковые диоды имеют следующие структуры (рис. 2.1): а) с p–n-переходом или гетеропереходом; в такой структуре, кроме выпрямляющего перехода, должно быть два омических перехода, через которые соединяются выводы диода; б) структуры с выпрямляющим переходом в виде контакта «металл– полупроводник», имеющей всего один омический переход.

Рис. 2.1. Структуры полупроводниковых диодов:

а – с выпрямляющим p–n-переходом; б – с выпрямляющим переходом на контакте «металл–полупроводник»; невыпрямляющий (Н) электрический (омический) переход; выпрямляющий (В) электрический переход; металл (М)

В большинстве случаев полупроводниковые диоды с р–n-перехо- дами делают несимметричными, т. е. концентрация примесей в одной из областей значительно больше, чем в другой. Поэтому количество неосновных носителей, инжектируемых из сильно легированной (низкоомной) области, называемой эмиттером диода, в слаболегированную (высокоомную) область, называемую базой диода, значительно больше, чем в противоположном направлении.

Классификация диодов производится по различным признакам: по типу полупроводникового материала – кремниевые, германиевые, из ар-

45