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 A_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 10¹⁵см^-3 вместо 10²² см^-3 в метал­лах) толщина контактного слоя в полупро­воднике достигает примерно 10^-6см, т.е. примерно в 10000 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 Dj»1 В напряжен­ность электрического поля контактного слоя Е=Dj /d»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) A _м> A, полупроводник р-типа; в) А _м <А, полупроводник р-типа. Соответ­ствующие зонные схемы показаны на рис. 334.

Если А_м<А, то при контакте металла с полупроводником n-типа электроны из металла переходят в полупроводник и об-

разуют в контактном слое полупроводника отрицательный объемный заряд (рис. 334, а). Следовательно, контактный слой полупроводника обладает повышен­ной проводимостью, т. е. не является за­пирающим. Рассуждая аналогично, можно показать, что искривление энергетических уровней по сравнению с контактом ме­талл— полупроводник n-типа (A _м> A) происходит в обратную сторону.

При контакте металла с полупроводни­ком р-типа запирающий слой образуется при A _м< A (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 A _м> A (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 (A _м> A) про­пускным является направление тока из металла в полупроводник, а для запираю­щего слоя на границе металла с полупро­водником р-типа (A _м< A) — из полупро­водника в металл.

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

Граница соприкосновения двух полупро­водников, один из которых имеет элек­тронную, а другой — дырочную проводи­мость, называется электронно-дырочным переходом (или p-n-переходом). Эти пере­ходы имеют большое практическое значе­ние, являясь основой работы многих полу-

проводниковых 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, a). Эта система нагрева­ется примерно при 500 °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 p-n-переход (рис. 335, б).

Рассмотрим физические процессы, происходящие в p-n-переходе (рис.336). Пусть донорный полупроводник (работа выхода — А_n, уровень Ферми — E_F) при­водится в контакт (рис. 336, б) с акцеп­торным полупроводником (работа выхо­да — Ар, уровень Ферми — E_F). 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 р ®n.

В n-полупроводнике из-за ухода элек­тронов вблизи границы остается неском­пенсированный 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 n-области к р-области, препятствует дальней­шему переходу электронов в направлении n®р и дырок в направлении p ®n. Если концентрации доноров и акцепторов в по­лупроводниках n- и p-типа одинаковы, то толщины слоев d ₁и d ₂(рис. 336, в), в ко­торых локализуются неподвижные заряды, равны (d₁=d₂).

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

акцепторного полупроводника подняты от­носительно уровней донорного полупро­водника на высоту, равную еj, причем подъем происходит на толщине двойного слоя d.

Толщина d слоя p-n-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 p-полупроводнику (рис. 337, а), т. е. со­впадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в p-полупроводнике от границы p-n-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 p-n-переход практически не проходит. Ток в запираю­щем слое в запирающем направлении об­разуется лишь за счет неосновных носите­лей тока (электронов в p-полупроводнике и дырок в n-полупроводнике).

Если приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (рис. 337, б), то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в p-полупроводнике к границе p-n-перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контакт­ного слоя и его сопротивление уменьшают­ся. Следовательно, в этом направлении электрический ток проходит сквозь p-n-переход в направлении от p-полупроводника к n-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 p-n-перехода. Как уже указывалось, при пропускном (пря­мом) напряжении внешнее электрическое поле способствует движению основных но­сителей тока к границе p-n-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 пре-

пятствует движению основных носителей тока к границе p-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 p-n-переходы действуют как выпрямители.

§ 250. Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы)

Односторонняя проводимость контактов двух полупроводников (или металла с по­лупроводником) используется для вы­прямления и преобразования переменных токов. Если имеется один электронно-ды­рочный переход, то его действие аналогич­но действию двухэлектродной лампы — диода (см. § 105). Поэтому полупроводни­ковое устройство, содержащее один p-n-переход, называется полупроводнико­вым (кристаллическим) диодом. Полупро­водниковые диоды по конструкции делятся на точечные и плоскостные.

В качестве примера рассмотрим точеч­ный германиевый диод (рис.339), в кото­ром тонкая вольфрамовая проволока 1 прижимается к n-германию 2 острием, покрытым алюминием. Если через диод в прямом направлении пропустить крат­ковременный импульс тока, то при этом резко повышается диффузия Аl в Ge и об­разуется слой германия, обогащенный алюминием и обладающий p-проводимостью.

На границе этого слоя образуется p-n-переход, обладающий высоким коэф­фициентом выпрямления. Благодаря ма­лой емкости контактного слоя точечные диоды применяются в качестве детекторов (выпрямителей) высокочастотных колеба­ний вплоть до сантиметрового диапазона длин волн.

Принципиальная схема плоскостного меднозакисного (купроксного) выпрями­теля дана на рис. 340. На медную пласти­ну с помощью химической обработки на­ращивается слой закиси меди Cu₂O, кото­рый покрывается слоем серебра. Серебря­ный электрод служит только для включе­ния выпрямителя в цепь. Часть слоя Си₂0, прилегающая к Cu обогащенная ею, обладает электронной проводимостью, а часть слоя Cu₂O, прилегающая к Ag и обогащенная (в процессе изготовления выпрямителя) кислородом,— дырочной проводимостью. Таким образом, в толще закиси меди образуется запирающий слой с пропускным направлением тока от Cu₂O к Cu (p®n).

Технология изготовления германиево­го плоскостного диода описана в §249 (см. рис. 325). Распространенными являются также селеновые диоды и диоды на основе арсенида галлия и карбида кремния. Рассмотренные диоды обладают целым рядом преимуществ по сравнению с электронными лампами (малые габарит­ные размеры, высокие к. п. д. и срок служ­бы, постоянная готовность к работе и т. д.), но они очень чувствительны к температуре, поэтому интервал их рабо­чих температур ограничен (от -70 до +120°С). p-n-Переходы обладают не только прекрасными выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы также для усиления, а если в схему ввести

обратную связь, то и для генерирования электрических колебаний. Приборы, пред­назначенные для этих целей, получили название полупроводниковых триодов или транзисторов (первый транзистор создан в 1949 г. американскими физиками Д. Бардином, У. Браттейном и У. Шокли; Нобелевская премия 1956 г.).

Для изготовления транзисторов ис­пользуются германий и кремний, так как они характеризуются большой механиче­ской прочностью, химической устойчиво­стью и большей, чем в других полупро­водниках, подвижностью носителей тока. Полупроводниковые триоды делятся на точечные и плоскостные. Первые значи­тельно усиливают напряжение, но их вы­ходные мощности малы из-за опасности перегрева (например, верхний предел ра­бочей температуры точечного германиево­го триода лежит в пределах 50—80 °С). Плоскостные триоды являются более мощ­ными. Они могут быть типа р-n-р и типа п-р-п в зависимости от чередования об­ластей с различной проводимостью.

Для примера рассмотрим принцип ра­боты плоскостного триода р-n-р, т. е. трио­да на основе n-полупроводника (рис. 341). Рабочие «электроды» триода, которыми являются база (средняя часть транзисто­ра), эмиттер и коллектор (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости), включаются в схему с помощью невыпрямляющих контактов — металлических проводников. Между эмит­тером и базой прикладывается постоянное смещающее напряжение в прямом направ­лении, а между базой и коллектором — постоянное смещающее напряжение в об­ратном направлении. Усиливаемое переменное напряжение подается на вход­ное сопротивление R_вх, а усиленное — снимается с выходного сопротивления R_вых.

Протекание тока в цепи эмиттера обусловлено в основном движением дырок (они являются основными носителями то­ка) и сопровождается их «впрыскивани­ем» — инжекцией — в область базы. Про­никшие в базу дырки диффундируют по направлению к коллектору, причем при небольшой толщине базы значительная часть инжектированных дырок достигает коллектора. Здесь дырки захватываются полем, действующим внутри перехода (притягиваются к отрицательно заряжен­ному коллектору), и изменяют ток коллек­тора. Следовательно, всякое изменение то­ка в цепи эмиттера вызывает изменение тока в цепи коллектора.

Прикладывая между эмиттером и ба­зой переменное напряжение, получим в цепи коллектора переменный ток, а на выходном сопротивлении — переменное напряжение. Величина усиления зависит от свойств р-n-переходов, нагрузочных со­противлений и напряжения батареи Б_к. Обычно R_вых>>R_вх, поэтому U_вых значи­тельно превышает входное напряжение U_вх (усиление может достигать 10000). Так как мощность переменного тока, вы­деляемая в R_вых, может быть больше, чем расходуемая в цепи эмиттера, то транзи­стор дает и усиление мощности. Эта уси­ленная мощность появляется за счет источника тока, включенного в цепь кол­лектора.

Из рассмотренного следует, что тран­зистор, подобно электронной лампе, дает усиление и напряжения и мощности. Если в лампе анодный ток управляется на­пряжением на сетке, то в транзисторе ток коллектора, соответствующий анодно­му току лампы, управляется напряжени­ем на базе.

Принцип работы транзистора n-р-n- тнпа аналогичен рассмотренному выше, но роль дырок играют электроны. Существу­ют и другие типы транзисторов, так же как и другие схемы их включения. Благо­даря своим преимуществам перед элек­тронными лампами (малые габаритные

размеры, высокие к. п. д. и срок службы, отсутствие накаливаемого катода (поэто­му потребление меньшей мощности), от­сутствие необходимости в вакууме и т. д.)

транзистор совершил революцию в об­ласти электронных средств связи и обеспе­чил создание быстродействующих ЭВМ с большим объемом памяти.

Контрольные вопросы

• В чем суть адиабатического приближения и приближения самосогласованного поля?

• Чем отличаются энергетические состояния электронов в изолированном атоме и кристалле? Что такое запрещенные и разрешенные энергетические зоны?

• Чем различаются по зонной теории полупроводники и диэлектрики? металлы и диэлектрики?

• Когда по зонной теории твердое тело является проводником электрического тока?

• Как объяснить увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры?

• Чем обусловлена проводимость собственных полупроводников?

• Почему уровень Ферми в собственном полупроводнике расположен в середине запрещенной зоны? Доказать это положение.

• Каков механизм электронной примесной проводимости полупроводников? дырочной примесной проводимости?

• Почему при достаточно высоких температурах в примесных полупроводниках преобладает собственная проводимость?

• Каков механизм собственной фотопроводимости? примесной фотопроводимости? Что такое красная граница фотопроводимости?

• Каковы по зонной теории механизмы возникновения флуоресценции и фосфоресценции?

• В чем причины возникновения контактной разности потенциалов?

• В чем суть термоэлектрических явлений? Как объяснить их возникновение?

• Когда возникает запирающий контактный слой при контакте металла с полупроводником n-типа? с полупроводником p-типа? Объясните механизм его образования.

• Как объяснить одностороннюю проводимость p-n-перехода?

• Какова вольт-амперная характеристика p-n-перехода? Объясните возникновение прямого и обратного тока.

• Какое направление в полупроводниковом диоде является пропускным для тока?

• Почему через полупроводниковый диод проходит ток (хотя и слабый) даже при запирающем напряжении?

Дата добавления: 2015-05-09