Выпрямление тока на контакте металл полупроводник

Обновлено: 22.01.2025

А. Рассмотрим соединение металл - полупроводник n-типа. Пусть работа выхода электрона из металла больше, чем из полупроводника (рис. 24.5.1) .

Полупроводник соответственно заряжается положительно. Возникает двойной электрический слой – запирающий слой, как в контакте двух разнородных полупроводников.

Запирающий контактный слой обладает односторонней (вентильной) проводимостью, т.е. может пропускать ток в одном направлении. Для рассмотренного случая пропускным является направление тока из металла в полупроводник.

Запирающий слой не образуется при .

Б. Запирающий слой и односторонняя проводимость возникает и при контакте металла и полупроводника р-типа, если работа выхода электронов из металла меньше, чем из полупроводника р-типа

В этом случае электроны выходят из металла в полупроводник, и пропускным направлением для тока будет из полупроводника в металл.

Контакты металл - полупроводник применяют в качестве выпрямителей, так же как и контакт из двух полупроводников различной проводимости (полупроводниковый диод).

Лекция 25

КОНТАКТНЫЕ И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

В МЕТАЛЛАХ

Работа выхода электрона из металла

Уровнем Ферми в металле называется верхний энергетический уровень, заполненный электронами при температуре 0 К.

Работой выхода электрона из металла называется энергия, которую необходимо сообщить электрону, находящемуся на уровне Ферми, чтобы удалить его из металла (рис. 25.1.1).

Работа выхода электрона из металла зависит от его химической природы и чистоты обработки поверхности (см. табл. 1 в параграфе 18.2).

Контактная разность потенциалов

При соединении двух разнородных металлов возникает разность потенциалов, которую называют контактной разностью потенциалов.

Итальянский физик А. Вольта установил экспериментально два закона.

1. Контактная разность потенциалов двух металлов зависит от химической природы и температуры соприкасающихся проводников.

Контактная разность потенциалов последовательно соединенных нескольких разнородных проводников, имеющих одинаковую температуру, не зависит от химической природы промежуточных проводников, а определяется контактной разностью потенциалов, которая возникает при контакте крайних проводников.

Рассмотрим контакт двух металлов с разными работами выхода.

Пусть работа выхода электронов из первого металла меньше, чем из второго А , а уровень Ферми в первом металле выше, чем во втором (рис. 25.2.1). При контакте двух металлов электроны будут переходить с высоких энергетических уровней первого металла на более низкие энергетические уровни второго металла. В результате уровни Ферми обоих металлов выравниваются и возникают внешняя и внутренняя контактная разности потенциалов (рис. 25.2.2).

Внешняя контактная разность потенциалов между точками А и В определяется разностью работ выхода электронов из металла

здесь е – элементарный электрический заряд.

Рис. 25.2.1 Рис. 25.2.2

Внутренняя контактная разность потенциалов возникает между двумя точками разнородных металлов, находящихся в двойном электрическом слое, который образуется в приконтактной области. Этот слой называется контактным. Его толщина в металлах составляет 10 м. Внутренняя

контактная разность потенциалов определяется разными значениями энергий уровней Ферми двух разнородных металлов

Второй закон Вольта можно вывести на примере соединения трех разнородных металлов (рис. 25.2.3).

Разность потенциалов в цепи, содержащей последовательно соединенные проводники при одинаковой температуре, равна сумме всех разностей потенциалов, поэтому, учитывая формулы внешней и внутренней контактной разности потенциалов, можно записать

Из полученного выражения следует, что разность потенциалов цепи, состоящей из трех проводников, зависит только от характеристик первого и третьего проводника, т.е. от крайних металлов.

Термоэлектрические явления

А. Явление Зеебека

В 1821 году немецкий физик Т. Зеебек (1770 – 1831) открыл экспериментально, что в замкнутой цепи, составленной из последовательно соединенных разнородных проводников, появляется электрический ток, если температуры контактов разные.

Возникновение термоэлектрического тока в цепи из двух разных металлов называется явлением Зеебека.

Опыт показывает, что термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС) в замкнутой цепи прямо пропорциональна разности температур контактов

Коэффициент называется постоянной термоэлектродвижущей силы. Единица измерения в СИ В/К.

Постоянная термо-ЭДС зависит от химической природы металлов.

Из формулы термо-ЭДС можно определить температуру

Полученное выражение применяют при дистанционном измерении температуры с помощью термопары.

Термопара – это устройство для измерения температуры, которое состоит из двух сваренных по концам разнородных металлов.

Первый спай термопары размещают в месте замера температуры ( ), а второй спай имеет температуру окружающей среды ( ).

Измеряя термо-ЭДС и температуру , подставляя известное значение постоянной термо-ЭДС ( ), можно вычислить значение температуры ..

Б. Явление Пельтье

В 1834 г. французский физик Ж. Пельтье обнаружил, что при прохождении тока через контакт двух проводников кроме джоулевой

Джоулева теплота пропорциональна квадрату силы тока . Теплота в явлении Пельтье пропорциональна силе тока в первой степени и времени

где П - коэффициент Пельтье.

При прохождении тока через цепь из двух (рис. 25.3.2) металлов (I') спай 1 охлаждается (в явлении Зеебека он был нагрет), а спай 2 нагревается (он был более холодным).

Если поменять направление тока, нагревается спай 1, а спай 2 охлаждается, поэтому можно записать

Объясняется явление тем, что электроны по разные стороны спая имеют разную среднюю энергию. Пропустим ток в прежнем направлении (по часовой стрелке). Электрон проходит через спай 2 в область с меньшей энергией и его энергия уменьшается. Избыточную энергию электрон отдает спаю, который нагревается. При движении через спай 1 электроны переходят в область с большей энергией. Энергия электронов повысится, если они заберут энергию у спая, а спай 1 охладится.

Явление Пельтье применяют в работе термоэлектрических полупроводниковых холодильников. Явление Пельтье обратно явлению Зеебека.

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.015)

Выпрямляющий переход

Рассмотрим контакт полупроводника n-типа с металлом, когда А_м>А_п.n, (рис. 9,а). Электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл, и в приграничном слое полупроводника образуется область, обеднен­ная основными носителями и имеющая большое сопротивление. Кроме того, переход электронов приводит к появлению контактной разности потенциалов.

Если к переходу подключить внешнее напряжение, причем "минус" к по­лупроводнику, а "плюс" к металлу, то внешнее электрическое поле компенси­рует внутреннее. Потенциальный барьер уменьшается, а ток основных носите­лей (электронов) из n-области увеличивается - переход открыт. При смене по­лярности ("минус" к металлу, "плюс" к полупроводнику) внешнее электрическое поле суммируется с внутренним, потенциальный барьер увеличивается, и переход не пропускает ток - закрыт.

Таким образом, переход между металлом и полупроводником обладает вентильными свойствами. Его называют барьером Шоттки.

Аналогичные процессы имеют место при контакте металла с полупровод­ником p-типа, когда А_мп.р. Значительно большее количество электронов бу­дет переходить из металла в полупроводник. Их рекомбинация с дырками в по­лупроводнике приведет к уменьшению концентрации носителей в пригранич­ном слое - создается обедненный слой и контактная разность потенциалов (рис. 9,б).

Рис. 9. Выпрямляющий переход

Подключение внешнего напряжения плюсом к полупроводнику, а мину­сом к металлу снижает потенциальный барьер. Через переход течет ток, обу­словленный переходом электронов из металла в полупроводник - переход от­крыт.

Обратное включение увеличивает потенциальный барьер. Через переход будут течь лишь неосновные носители полупроводника р-типа - электроны. Так как их концентрация мала, то ток через переход практически не течет - пе­реход закрыт.

Выпрямляющий переход металл-полупроводник тоже используется для создания приборов с односторонней проводимостью, как и n-p-переход.

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода.

Полупроводниковые диоды классифицируются:

- по материалу (Ge, Si, GaAs и т.д.);

- по технологии (точечные, сплавные, диффузионные);

- по конструкции (точечные, плоскостные, планарные);

- по функциональному назначению (выпрямительные, универсальные, стабилитроны, туннельные и т.д.).

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. В них используется основное свойство p-n-перехода: пропускать с малым сопротивлением ток в одном направлении и практически не пропускать в дру­гом.

На рис. 10 изображена вольт-амперная характеристика (ВАХ) кремниевого диода, которую можно представить в виде двух частей:

- прямая - при прямом включении p-n-перехода;

- обратная — при обратном включении p-n-перехода.

В схеме обозначения диода анод (А) соответствует электроду, присоеди­ненному к р-области, а катод (К)-к n-области.

Рис. 10. Вольт-амперная характеристика диода

Прямая ветвь обусловлена диффузионным током основных носителей. На начальной стадии (U <1B) ток нарастает медленно, что обусловлено наличием потенциального барьера (контактной разности потенциалов), препятствующего движению основных носителей. На этом участке вольт-амперная характеристи­ка нелинейная. По мере преодоления внешним полем внутреннего (U>≈1В) потенциальный барьер исчезает и остается лишь сопротивление р- и n-областей, которое можно приближенно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становится практически линейной при резком нараста­нии тока.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро на­растает. Это вызвано тем, что уже при небольшом увеличении обратного на­пряжения повышается потенциальный барьер и резко уменьшается диффузи­онный ток. Следовательно, полный ток I_пepex.oбр=I_др-I_диф, резко увеличивает­ся.

Дальнейшее увеличение обратного напряжения не приводит к росту тока, т.к. его величина определяется числом неосновных носителей, концентрация которых низка. При некотором значении обратного напряжения (U_обр.max, рис. 10) ток начинает резко возрастать. Это возникает при напряженности поля около 10 7 В/м. Неосновные носители при таком поле разгоняются на длине свобод­ного пробега до энергии, достаточной для ионизации атомов. Концентрация носителей лавинно нарастает в толщине перехода.

Процесс лавинного размножения носителей за счет ударной ионизации атомов называется лавинным пробоем (электрическим). К этому следует добавить, что концентрация носителей до­полнительно увеличивается за счет вырывания электронов из атомов сильным электриче­ским полем.

Лавинный пробой обра­тим, т.е. при снятии напряже­ния свойства p-n-перехода восстанавливаются.

При дальнейшем увели­чении напряжения наступает тепловой пробой. Плотность обратного тока в этом режиме достигает такой величины, что переход начинает разо­греваться. Это приводит к появлению дополнительных электронно-дырочных пар в переходе, что в свою очередь еще больше увеличивает плотность тока.

Процесс разрушения p-n-перехода вследствие его перегрева обратным током называется тепловым пробоем.

Основные параметры выпрямительных диодов:

- I_пр.ср – средний прямой ток;

- U_{обр.мах} – максимально допустимое обратное напряжение;

- I_обр – величина обратного тока при заданном обратном наряжении;

- U_пр – величина прямого напряжения при заданном прямом токе I_пр;

Транзистор представляет собой двухпереходный прибор. Переходы образуются на границах тех трех слоев, из которых состоит транзистор. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы
p-n-p и n-p-n со взаимно противоположными рабочими полярностями. Контакты с внешними электродами — омические.

Переход, работающий в прямом направлении, называется эмиттерным, а соответствующий крайний слой — эмиттером. Средний слой называется базой. Второй переход, нормально смещенный в обратном направлении, называется коллекторным, а соответствующий крайний слой — коллектором. Это название отражает функцию "собирания" инжектированных носителей, прошедших через слой базы. Для того чтобы такое "собирание" было возможно, база должна иметь достаточно малую толщину w. В противном случае инжектированные носители успеют рекомбинировать в процессе перемещения через базу.

Характер движения инжектированных носителей в базе в общем случае заключается в сочетании диффузии и дрейфа. Электрическое поле, в котором происходит дрейф, может быть результатом высокого уровня инжекции, а также результатом неоднородности базового слоя. Последний случай имеет особенно большое значение, так как собственное поле неоднородного полупроводника обусловливает дрейфовый механизм движения носителей независимо от уровня инжекции. Транзисторы без собственного поля базы называются бездрейфовыми, а с собственным полем — дрейфовыми.

На рис. 5, а показана энергетическая диаграмма транзистора в равновесном состоянии. Легко видеть, что основные носители заряда в каждом слое (дырки в базе, электроны в эмиттере и коллекторе) находятся в потенциальных ямах, из которых они могут перейти в смежный слой только благодаря достаточно большой тепловой энергии. Наоборот, неосновные носители (электроны в базе, дырки в эмиттере и коллекторе) находятся на потенциальных гребнях, с которых они могут свободно переходить в смежный слой. В равновесном состоянии на обоих переходах имеется динамическое равновесие между потоками этих частиц.

Пусть к эмиттерному переходу приложено прямое смещение, а коллекторный переход по-прежнему замкнут (рис. 5, б). Тогда потенциальный барьер эмиттера понизится и начнется инжекция электронов в базу и дырок в эмиттер. Инжек тированные электроны, пройдя базу, доходят до коллекторного перехода и свободно проходят в коллектор (для них потенциального барьера в коллекторе нет). Значит, в выходной цепи будет протекать ток, близкий к току эмиттера, поскольку рекомбинация в тонкой базе невелика. Небольшая разность между эмиттерным и коллекторным токами составляет ток базы. Так как напряжение на выводах коллектор—база равно нулю, полезная мощность не выделяется и усиление отсутствует.

Рис. 5. Энергетические диаграммы транзистора при различных режимах работы

Включим теперь в выходную цепь резистор для выделения мощности (рис. 5, в). Коллекторный ток, проходящий через этот резистор, создаст на нем падение напряжения, полярность которого такова, что коллекторный p-n-переход будет смещен в прямом направлении. Тогда наряду с собиранием электронов, дошедших от эмиттера, будет происходить инжекция электронов самим коллектором. В результате коллекторный ток станет заметно меньше тока эмиттера. Так как оба перехода смещены в прямом направлении, то транзистор оказывается в режиме насыщения. Резистор оказывается зашунтированным коллекторным переходом, мощность в нагрузке практически не выделяется и усиления опять не будет. Как легко догадаться, ток базы при этом будет почти равен току эмиттера.

В нормальном усилительном режиме на коллекторный p‑n‑переход подается достаточно большое обратное смещение, которое приводит к существенному повышению потенциального барьера у коллектора (рис. 5, г). Теперь можно включить в выходную цепь резистор, обладающий значительным сопротивлением, без опасения вызвать инжекцию носителей через коллекторный переход. Для этого сопротивление должно удовлетворять условию U_к>I_кR. В таком режиме работы можно получить значительную выходную мощность, а главное — усиление мощности, так как токи I_к и I_э почти одинаковы, а сопротивление нагрузки явно превышает сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода.

При любом варианте включения транзистора имеется две входные величины (ток и напряжение) и две выходные. Взаимозависимость этих четырех величин можно выразить двадцатью четырьмя семействами характеристик, но наиболее широкое распространение получила система:

Первое уравнение — это семейство входных характеристик, второе — выходных. На рис. 6 представлены идеальные семейства входных и выходных характеристик транзистора. На входных характеристиках (рис. 6, а) кривая при U_кб=0 является обычной прямой ветвью диодной ВАХ. При значениях U_бк>0 кривые сдвигаются влево и вверх в связи с нарастанием собираемого компонента эмиттерного тока.

Рис. 6. Идеальные статические характеристики транзистора:
а — входные; б — выходные

Коэффициент при токе I_б называется коэффициентом передачи базового тока. Довольно часто его называют также просто коэффициентом усиления транзистора. Обычно >>1. Ток — нулевой ток коллектора в схеме, т. е. ток при оборванной базе. Следует отметить, что режим работы транзистора с оборванной базой очень опасен из-за возможности пробоя, поэтому непосредственно ток не измеряют. Минимально возможный ток коллектора будет получаться при отрицательном токе базы.

ДИОДНЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ

Для создания интегрального диода достаточно сформировать только один p-n-переход. Однако при изготовлении микросхем желательно все элементы формировать в едином технологическом процессе. Поэтому наиболее экономично использовать биполярный транзистор в диодном включении.

При этом характеристики диода-транзистора можно изменять, используя тот или иной p-n-переход путем применения одного из шести возможных вариантов включения (рис. 8).

Рис. 8. Транзистор в диодном включении

Первые два варианта анализируются наиболее просто. Так как один из переходов замкнут, то напряжение на нем равно нулю, т. е. закороченные p-n-переходы не оказывают никакого влияния на вольт-амперные характеристики рабочих p-n-переходов. В вариантах (в) и (г) второй p-n-переход никуда не подключается и влияет на рабочий переход, снижая ток насыщения получающегося диода [1].

Последний вариант (е) получается, если в технологическом процессе формирования транзисторной структуры исключить эмиттерную диффузию. Поскольку остается только один p‑n‑переход, никакого влияния на него не оказывается, и вольт-амперная характеристика точно такая же, как и при закороченных выводах эмиттер—база.

Отмечая особенности рассмотренных вариантов, можно сказать, что наибольший ток пропускает диод варианта (д), наибольшим быстродействием обладает диод варианта (а), а наибольшие пробивные напряжения имеют диоды вариантов (б, г, е).

Выпрямление тока на контакте металла с полупроводником

Если подключить внешнюю батарею, то, создаваемое ею электрическое поле, в зависимости от полярности подключения батареи, будет либо усиливать электрическое поле в контактной области, либо ослаблять его (рис. 4.15).

Рис. 4.15. Прямое (а) и обратное (б) смещение на контакте металл-электронный полупроводник

При этом высота барьера между металлом и полупроводником будет увеличиваться или уменьшаться в зависимости от подаваемого смещения . Поскольку удельное сопротивление полупроводника много больше, чем удельное сопротивление металла, можно считать, что падение напряжения, возникающее в рассматриваемой структуре полностью приложено к области потенциального барьера полупроводника. Важно подчеркнуть, что внешнее напряжение может только выпрямить границы разрешенных зон (при )! Другими словами, при приложении больших прямых смещений электроны начнут «убегать» от батареи смещения и все зоны станут наклоняться аналогично рис. 3.2.

Рис. 3.2

Толщина слоя объемного заряда в случае, когда приложено внешнее смещение, будет определяться соотношением

В случае приложения к контакту металл-полупроводник внешнего напряжения состояние полупроводника становится неравновесным и концентрация электронов будет определяться квазиуровнем Ферми F_n(x). В глубине полупроводника положение уровня Ферми остается постоянным. Если положения квазиуровня Ферми отсчитывать от дна зоны проводимости, для концентрации электронов можно записать следующие выражения:

Определим теперь плотность тока, текущего через контакт металлом-полупроводник, при различной полярности внешнего напряжения.

При подключении прямого смещения к полупроводнику n-типа (минус батареи) контактная разность потенциалов между металлом и полупроводником уменьшится. В результате снижения потенциального барьера со стороны полупроводника увеличится поток электронов, появится ток термоэлектронной эмиссии:

где J_s – плотность тока насыщения, равная:

где - постоянная Ричардсона, .-. высота барьера для электронов со стороны металла.

Формула (4.34) хорошо описывает вид ВАХ барьера Шоттки (рис. 4.17).

Рис. 4.17. ВАХ контакта металл- полупроводник (диод Шоттки)

При подключении обратного смещения (минус батареи) контактное поле возрастает, и электроны из полупроводника не в состоянии преодолеть его, поэтому соответствующий ток_. уменьшается до нуля. В то же время контактное поле не препятствует потоку электронов из металла (ток J_s.), и именно он и определяет обратный ток. Этот ток практически остается постоянным, поскольку высота барьера со стороны металла очень слабо зависит от внешнего смещения.

Нами рассмотрен случай контакта электронного полупроводника с металлом, однако диодными характеристиками будет обладать и контакт дырочного полупроводника с металлом. Однако для возникновения барьера необходимо, чтобы работа выхода металла был малой.

Выпрямление на контакте металл — полупроводник

Рассмотрим некоторые особенности механизма процессов, происходящих при приведении в контакт металла с полупроводником. Для этого возьмем полупроводник n-типа с работой выхода А, меньшей работы выхода А_м из металла. Соответствующие энергетические диаграммы до и после вступления в контакт показаны на рис. 333, а, б.

Если А_м > А, то при контакте электроны из полупроводника будут переходить в металл, в результате чего контактный слой полупроводника обеднится электронами и зарядится положительно, а металл — отрицательно. Этот процесс будет происходить до достижения равновесного состояния, характеризуемого, как и при контакте двух металлов, выравниванием уровней Ферми для металла и полупроводника. На контакте образуется двойной электрический слой d, поле которого (контактная разность потенциалов) препятствует дальнейшему переходу электронов. Вследствие малой концентрации электронов проводимости в полупроводнике (порядка 10 15 см -3 вместо 10 22 см -3 в металлах) толщина контактного слоя в полупроводнике достигает примерно 10 -6 см, т.е. примерно в 10 000 раз больше, чем в металле. Контактный слой полупроводника обеднен основными носителями тока — электронами в зоне проводимости, и его сопротивление значительно больше, чем в остальном объеме полупроводника. Такой контактный слой называется запирающим.

При d = 10 -6 см и 1 В напряженность электрического поля контактного слоя 108 В/м. Такое контактное поле не может сильно повлиять на структуру спектра (например, на ширину запрещенной зоны, на энергию активации примесей и т. д.) и его действие сводится лишь к параллельному искривлению всех энергетических уровней полупроводника в области контакта (рис. 333, б). Так как в случае контакта уровни Ферми выравниваются, а работы выхода — величины постоянные, то при А_м > А энергия электронов в контактном слое полупроводника больше, чем в остальном объеме. Поэтому в контактном слое дно зоны проводимости поднимается вверх, удаляясь от уровня Ферми. Соответственно происходит и искривление верхнего края валентной зоны, а также донорного уровня.

Помимо рассмотренного выше примера возможны еще следующие три случая контакта металла с примесными полупроводниками: а) А_м < А, полупроводник n-типа; б) А_м > А, полупроводник р-типа; в) А_м < А, полупроводник р-типа. Соответствующие зонные схемы показаны на рис. 334.

При контакте металла с полупроводником р-типа запирающий слой образуется при А_м < А (рис, 334, в), так как в контактном слое полупроводника наблюдается избыток отрицательных ионов акцепторных примесей и недостаток основных носителей тока — дырок в валентной зоне. Если же А_м > А (рис. 334, б), то в контактном слое полупроводника р-типа наблюдается избыток основных носителей тока — дырок в валентной зоне, контактный слой обладает повышенной проводимостью.

Исходя из приведенных рассуждений, видим, что запирающий контактный слой возникает при контакте донорного полупроводника с меньшей работой выхода, чем у металла (см. рис. 333, б), и у акцепторного — с большей работой выхода, чем у металла (рис. 333, в).

Запирающий контактный слой обладает односторонней (вентильной) проводимостью, т. е. при приложении к контакту внешнего электрического поля он пропускает ток практически только в одном направлении: либо из металла в полупроводник, либо из полупроводника в металл. Это важнейшее свойство запирающего слоя объясняется зависимостью его сопротивления от направления внешнего поля. Если направления внешнего и контактного полей противоположны, то основные носители тока втягиваются в контактный слой из объема полупроводника; толщина контактного слоя, обедненного основными носителями тока, и его сопротивление уменьшаются. В этом направлении, называемом пропускным, электрический ток может проходить через контакт металл — полупроводник. Если внешнее поле совпадает по знаку с контактным, то основные носители тока будут перемещаться от границы с металлом; толщина обедненного слоя возрастает, возрастает и его сопротивление. Очевидно, что в этом случае ток через контакт отсутствует, выпрямитель заперт — это запорное направление. Для запирающего слоя на границе металла с полупроводником n-типа (А_м > А) пропускным является направление тока из металла в полупроводник, а для запирающего слоя на границе металла с полупроводником р-типа (А_м < А) — из полупроводника в металл.

§ 249. Контакт электронного и дырочного полупроводников (р-п-переход)

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой — дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (или р-n-переходом). Эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов. p-n-Переход нельзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычно области различной проводимости создают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов. Например, на кристалл германия n-типа накладывается индиевая «таблетка» (рис. 335, а).

Эта система нагревается примерно при 500 o С в вакууме или в атмосфере инертного газа; атомы индия диффундируют на некоторую глубину в германий. Затем расплав медленно охлаждают. Так как германий, содержащий индий, обладает дырочной проводимостью, то на границе закристаллизовавшегося расплава и германия n-типа образуется р-n-переход (рис. 335, б).

Рассмотрим физические процессы, происходящие в р-n-переходе (рис.336). Пусть донорный полупроводник (работа выхода — А_n, уровень Ферми — ) приводится в контакт (рис. 336, б) с акцепторным полупроводником (работа выхода — А_р, уровень Ферми — ). Электроны из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении — в направлении .

В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается неском-пенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизованных донорных атомов. В р-полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов (рис. 336, а).

Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой, поле которого, направленное от п-области к р-области, препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении и дырок в направлении . Если концентрации доноров и акцепторов в полупроводниках п- и р-типа одинаковы, то толщины слоев d₁ и d₂ (рис. 336, а), в которых локализуются неподвижные заряды, равны (d₁ = d₂).

При определенной толщине р-п-перехода наступает равновесное состояние, характеризуемое выравниванием уровней Ферми для обоих полупроводников (рис. 336, в). В области р-п-перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок. Высота потенциального барьера определяется первоначальной разностью положений уровня Ферми в обоих

полупроводниках. Все энергетические уровни акцепторного полупроводника подняты относительно уровней донорного полупроводника на высоту, равную , причем подъем происходит на толщине двойного слоя d.

Толщина d слоя р-п-перехода в полупроводниках составляет примерно 10 -6 — 10 -7 м, а контактная разность потенциалов — десятые доли вольт. Носители тока способны преодолеть такую разность потенциалов лишь при температуре в несколько тысяч градусов, т. е. при обычных температурах равновесный контактный слой является запирающим(характеризуется повышенным сопротивлением).

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое поле направлено от n-полупроводника к р-полупроводнику (рис. 337, а), т. е. совпадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике от границы р-п-перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет. Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называется запирающим (обратным). В этом направлении электрический ток через р-п-переход практически не проходит. Ток в запирающем слое в запирающем направлении образуется лишь за счет неосновных носителей тока (электронов в р-полупроводнике и дырок в n-полупроводнике).

Если приложенное к р-п-переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (рис. 337, б), то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике к границе р-п-перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются. Следовательно, в этом направлении электрический ток проходит сквозь р-п-переход в направлении от р-полупроводника к п-полупроводнику; оно называется пропускным (прямым).

Таким образом, p-n-переход (подобно контакту металла с полупроводником) обладает односторонней (вентильной) проводимостью.

На рис. 338 представлена вольт-амперная характеристика р-n-перехода. Как уже указывалось, при пропускном (прямом) напряжении внешнее электрическое поле способствует движению основных носителей тока к границе р-п-перехода (см. рис. 337, б). В результате толщина контактного слоя уменьшается. Соответственно уменьшается и сопротивление перехода (тем сильнее, чем больше напряжение), а сила тока становится большой (правая ветвь на рис. 338). Это направление тока называется прямым.

При запирающем (обратном) напряжении внешнее электрическое поле препятствует движению основных носителей тока к границе р-n-перехода (см. рис. 337, а) и способствует движению неосновных носителей тока, концентрация которых в полупроводниках невелика. Это приводит к увеличению толщины контактного слоя, обедненного основными носителями тока. Соответственно увеличивается и сопротивление перехода. Поэтому в данном случае через p-n-переход протекает только небольшой ток (он называется обратным), полностью обусловленный неосновными носителями тока (левая ветвь рис. 338).

Быстрое возрастание этого тока означает пробой контактного слоя и его разрушение. При включении в цепь переменного тока р-n-переходы действуют как выпрямители.

Контакт металл – полупроводник

Свойства контакта металл-полупроводник зависят от соотношения работ выхода из полупроводника А и из металла А_м и от типа электропроводности полупроводника.

Энергетические диаграммы для контакта металла с полупроводником n-типа при А_м > А до и после приведения в контакт показаны соответственно на рис.12.2, а и рис.12.2, б. Поскольку А_м > А, электроны будут из полупроводника переходить в металл, вследствие чего произойдет обеднение приконтактного слоя полупроводника электронами и он зарядится положительно, а металл – отрицательно, образуется двойной электрический слой (толщиной d ~ 10 7 м), напряженность электрического поля в препятствует дальнейшему выходу электронов из полупроводника. Такой слой называют запирающим, а потенциальный барьер называют барьером Шоттки.

где j – плотность тока через p-n-переход; j₀ – плотность тока насыщения; U – приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое напряжение, которое при прямом включении барьера считается положительным, а при обратном – отрицательным; k – постоянная Больцмана, Т – термодинамическая температура.

12.3. Контакт электронного и дырочного полупроводников (p-n-переход)

Если в пределах одного твердого тела сформировать области, имеющие по одну сторону от условной (металлургической) границы p-тип электропроводности, а по другую – n-тип, то электроны из n-области, будут диффундировать в p-область, а дырки – в обратном направлении. В результате у контакта образуется двойной электрический слой (толщиной d ~ 10 –6 -10 –7 м), электрическое поле которого имеет порядок E ~10 6 В/м, направлено из n-области в p-область и препятствует дальнейшей диффузии электронов и дырок. Равновесие наступает при выравнивании уровней Ферми обоих областей.

Высота потенциального барьера p-n-перехода определяется первоначальной разностью положений уровней Ферми и равна

где p_p и n_n – равновесные концентрации основных носителей заряда в p- и n-областях; n_i – собственная концентрация носителей заряда; j – контактная разность потенциалов. При обычных температурах носители заряда не способны преодолеть этот потенциальный барьер и p-n-пере­ход обладает односторонней проводимостью. При комнатной температуре все атомы примеси обычно ионизованы, а концентрация основных носителей заряда мала. Поэтому можно считать, что p_p = N_a, а n_n = N_д, где N_a и N_d – концентрации акцепторной и донорной примесей в соответствующих областях. Определять параметры p-n-перехода можно с учетом соотношения «действующих масс»:

где p_n и n_p – концентрации неосновных носителей заряда – дырок в n-области и электронов в p-области. Толщина p-n-перехода d может быть рассчитана по формуле

где – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; – электрическая постоянная; e – заряд электрона; j – контактная разность потенциалов p-n-перехода; U – приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое напряжение. При прямом включении (прямом смещении) p-n-перехода это напряжение считается положительным, а при обратном включении (обратном смещении) – отрицательным.

Переход p-n можно рассматривать как плоский конденсатор с емкостью

Это барьерная емкость. Здесь S – площадь p-n-перехода. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

где j – плотность тока через p-n-переход; j₀ – плотность тока насыщения; U – приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое напряжение; k – постоянная Больцмана; Т – термодинамическая температура. Плотность обратного тока насыщения j₀ определяется неосновными носителями, и ее можно оценить по выражению

где D_p и D_n – коэффициенты диффузии для дырок и электронов; L_p и L_n – диффузионные длины неосновных носителей заряда – дырок и электронов соответственно. Коэффициенты диффузии можно найти из соотношения Эйнштейна:

а диффузионные длиныL_p и L_n зависят от времени жизни неосновных носителей – для дырок и – для электронов:

Примеры решения задач

1. Определить напряженность электрического поля, возникающего в зазоре между пластинами плоского конденсатора, одна из которых изготовлена из алюминия, а другая – из платины. Пластины соединены между собой медным проводом, ширина зазора d = 5 мм. Работа выхода электронов из алюминия, меди и платины составляет соответственно 4,25 эВ, 4,4 эВ и 5,32 эВ. Как изменится напряженность поля, если алюминиевую и медную пластины соединить проводом из платины?

Решение. Разность потенциалов на концах разнородной цепи, состоящей из последовательно соединенных проводников, определяется различием в работах выхода электронов из крайних проводников и не зависит от количества и состава промежуточных звеньев. Поэтому = 214 В/м. Во втором случае = 30 В/м.

2. Удельная термоэдс контакта двух проводников равна = 10 мкВ/К. Через контакт пропускают ток силой I = 1 А. Каково должно быть сопротивление R контакта, чтобы в результате проявления эффекта Пельтье можно было наблюдать охлаждение контакта при комнатной температуре T?

Решение. Коэффициент Пельтье найдем как и учтем, что выделяемое на контакте за время t тепло Джоуля – Ленца должно быть по абсолютной величине меньше тепла Пельтье, поглощаемого на том же контакте при надлежащем направлении тока за то же время, т.е. , откуда находим, что . Приняв комнатную температуру равной 293 К, получим R < 2,93×10 –3 Ом.

3. В германиевом p-n-переходе удельная проводимость p-об­ласти g_p = 10 4 См/м и удельная проводимость n-области g_n = 100 См/м. Подвижности электронов и дырок в германии равны соответственно 0,39 м 2 /(В×с) и 0,19 м 2 /(В×с). Получить выражение, связывающее контактную разность потенциалов с отношением концентраций основных и неосновных носителей заряда в полупроводнике и найти по нему контактную разность потенциалов в переходе при температуре Т = 300 К. Собственная концентрация носителей заряда при этой температуре в германии n_i = 2,5×10 19 м –3

Решение. Для p-области удельная проводимость g_р определяется основными носителями заряда – дырками: , где и m_р – концентрация и подвижность дырок в р-области. Отсюда = 3,29×10 23 м –3 . Аналогично, для n-области n_n = g_n/em_n = = 1,6×10 21 м –3 . Из закона действующих масс видно, что . Используя выражение для потенциального барьера p-n-перехода , получим искомый результат: = 0,35 В.

4. Используя данные и результаты предыдущей задачи, найти: а) плотность обратного тока насыщения, б) отношение дырочной составляющей обратного тока насыщения к электронной, если диффузионная длина для электронов и дырок L_n = L_p = 1 мм, в) напряжение, при котором плотность прямого тока j = 100 кА/м 2

Решение. Используя данные предыдущей задачи, найдем концентрации неосновных носителей – дырок в n-области и электронов в p-области из закона действующих масс: = 3,91×10 17 м –3 , = 1,9×10 15 м –3 .

а) В выражение для плотности тока насыщения (12.14) подставим коэффициенты диффузии, определяемые из соотношения Эйнштейна: и _. Тогда получим: = 0,31 А/м 2 .

б) В последней из полученных формул первое слагаемое, очевидно, представляет собой плотность тока j_p, связанного с движением дырок в n-области, а второе – плотность тока j_n, связанного с движением электронов в p-области, поэтому = 100.

в) Искомое напряжение определим из выражения (12.13) . Логарифмированием находим, что eU/kT = 12,7 и, следовательно, U = 0,328 В.

Читайте также:

  
• Украшения для фасада дома из металла
  
• Молотковая краска по металлу для автомобиля
  
• В периоде с возрастанием относительной атомной массы металлические свойства элементов усиливаются
  
• Железный гвоздь не вытесняет металл из раствора его соли
  
• Установка поликарбоната на навес своими руками на металлический каркас