Свойства р-n-перехода

Классификация. Методы изготовления.

Электронно-дырочный переход.

В полупроводниковых приборах широко применяют электронные переходы. Под электронным переходом понимают переходный слой в полупроводниковом материале между двумя областями с различными типами электропроводности или разными значениями удельной электрической проводимости. Наибольшее применение имеет электронный переход (р-n-переход), представляющий собой переходный слой между областями полупроводника с электропроводностью р-типа и n-типа.

Если концентрация примесей в обеих областях примерно одинакова (р_р=n_n), то такой р-n-переход называют симметричным. По площади р-n-переходы делятся на плоскостные, у которых линейные размеры, определяющие площадь перехода, значительно превышают его толщину, и точечные, у которых эти размеры меньше толщины перехода.

Наиболее широко применяются плоскостные переходы. Они являются рабочими элементами диодов и большинства полупроводниковых диодов. Получить р-n-переход путём простого соприкосновения полупроводников р-типа и n-типа невозможно. Этому препятствуют плёнки окислов, покрывающие поверхности полупроводников, а также воздушная прослойка. Электронный переход образуется в единой пластинке полупроводника с помощью той или иной технологии. Наибольшее применение имеют два метода изготовления р-n-переходов: сплавной и диффузионный.

Сущность сплавного метода состоит в следующем. К пластинке, например, N-Ge прикрепляют таблетку In и нагревают в вакууме до 500°С. При этом таблетка In расплавляется и растворяет прилегающую к ней поверхность пластинки Ge. На границе между пластинкой Ge и таблеткой In образуется тонкий слой Ge с примесью In, т.е. P-Ge. Между слоем P-Ge и пластинкой N-Ge возникает р-n-переход (рис.1).

Рис. 1. Сплавной переход

Таблетка In служит омическим контактом. К ней припаивают никелевую проволочку - один из выводов. На противоположную грань пластинки N-Ge наносят слой олова, к которому припаивают второй вывод. Кремниевый сплавной р-n-переход получают вплавлением алюминия в пластинку N-Si при температуре 700°С.

При диффузионном методе изготовления Ge р-n-перехода исходную пластинку N-Ge нагревают в печи, наполненной парами In, до 900°С. При этом происходит интенсивная диффузия атомов In в пластинку N-Ge. На поверхности последней образуется слой P-Ge. Толщина этого слоя регулируется продолжительностью процесса диффузии. Затем путём травления удаляют слой P-Ge со всех граней пластинки кроме одной, создают омические контакты, к которым припаивают выводы.

Германиевый точечный р-n-переход получают следующим образом. К хорошо отполированной поверхности пластинки N-Ge прижимают заострённую иглу из бериллиевой бронзы. Затем полученный контакт подвергают формовке, заключающейся в том, что через контакт пропускают мощные, но кратковременные импульсы тока.

При этом происходит сильный местный разогрев контакта, в результате чего атомы бериллия, являются акцептором по отношению к Ge, диффундируют в пластинку N-Ge и образуют тонкую полусферическую р-область вблизи иглы. Кончик иглы сплавляется с полупроводником, благодаря чему обеспечивается стабильность и механическая прочность.

Промежуточное положение между плоскостными и точечными переходами по площади занимают микросплавные переходы, которые получают путем вплавления очень маленькой таблетки.

Рассмотрим процессы, происходящие в плоскостном симметричном р-n-переходе.

Р-n-переход без внешнего напряжения.

В момент образования р-n-перехода как р-область, так и n-область электрически нейтральны. Но в р-области много дырок и мало свободных электронов, а в n-области наоборот, много свободных электронов и мало дырок.

Резкое различие концентраций одноименных носителей заряда в р- и n-областях приводит к возникновению диффузии. Дырки, совершающие хаотическое тепловое движение в р-области, начнут переходить в n-область. В обратном направлении будут перемещаться свободные электроны. Таким образом, через границу раздела областей начнет протекать ток диффузии, образованный основными носителями заряда и содержащий дырочную и электронную составляющие:

I_диф = I_{р диф} + I_{n диф}

Поскольку за направление тока принято направление перемещения положительных зарядов, ток диффузии будет протекать от р-области к n-области.

В результате диффузии нарушается электрическая нейтральность р- и n-областей. В р-области вблизи границы раздела областей выступят нескомпенсированные отрицательные заряды атомов акцепторной примеси т.к. часть ранее компенсировавших их положительно заряженных дырок перейдет в n-область, а другая часть рекомбинирует с пришедшими из n-области свободными электронами. В приконтактной части n-области появятся нескомпенсированные положительные заряды атомов донорной примеси, поскольку компенсировавшие их ранее отрицательно заряженные свободные электроны частично перейдут в p-область, а частично рекомбинируют с диффундирующими n-области дырками. Таким образом, по обе стороны от границы раздела областей появятся заряды противоположных знаков (рис.2а). Энергетическая диаграмма, т.е. энергия, которой будет обладать электрон, находясь в той или иной обаласти, изображена на рис.2б.

Между ними образуется электрическое поле, препятствующее диффузионному перемещению основных носителей заряда и называемое поэтому потенциальным барьером. Приконтактные участки p- и n-областей с появившимися нескомпенсированными зарядами атомов акцепторной и донорной примесей являются p-n-переходом. По мере перехода основных носителей заряда через границу раздела и роста в результате этого потенциального барьера, ток диффузии будет уменьшаться, так как все меньшее число основных носителей заряда будет иметь энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера.

Высота потенциального барьера равна контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Чем больше концентрация примесей, тем выше концентрация основных носителей, и тем большее число их диффундирует чрез границу.

а) структура	Рис. 3. Образование потенциального барьера р-n-перехода.
б) энергетическая диаграмма Рис.2. р-n переход в состоянии термодинамического равновесия

С возникновением электрического поля на границе раздела областей появляется возможность обратного перехода носителей заряда: дырок из n-области в p-область и свободных электронов из p-области в n-область. Так, дырка, совершающая тепловое хаотическое движение в n-области вблизи перехода, может попасть в электрическое поле перехода, которое для нее в данном случае (при переходе из n-области в p-область) не является потенциальным барьером, а, наоборот, является ускоряющим. Поэтому дырка будет переброшена полем в p-область. При этом в p-области будет скомпенсирован отрицательный заряд одного из атомов акцепторной примеси, расположенного вблизи границы раздела областей. В то же время свободный электрон, совершающий хаотическое тепловое движение в p-области, попав в поле перехода, будет переброшен им в n-область, где скомпенсирует один из положительных атомов донорной примеси. Переходя через границу раздела областей, неосновные носители заряда образуют дрейфовый ток, состоящий, как и ток диффузии, из дырочной и электронной составляющих:

Дрейфовый ток препятствует повышению потенциального барьера и понижению диффузионного тока до нуля. В установившемся режиме в p-n-переходе наступает динамическое равновесие: ток диффузии, понижаясь, становится равным встречному дрейфовому току и результирующий ток через переход становится равным нулю. Величина дрейфового тока определяется концентрацией неосновных носителей заряда в p-n-областях (чем больше неосновных носителей в данной области, тем больше вероятность попадания их в поле перехода) и практически не зависит от напряженности электрического поля перехода. Поскольку концентрация не основных носителей заряда в р- и n- областях, а значит и дрейфовый ток, в сильной мере зависит от температуры, дрейфовый ток через р-n-переход принято называть тепловым током.

Диффузия основных носителей заряда в смежную область при образовании р-n-перехода и усиленная рекомбинация их там приводят к тому, что внутри р-n-перехода остается очень мало носителей заряда, то есть р-n-переход представляет собой ток называемый обедненный слой. Однако сопротивление р-n-перехода не определяется сопротивлением обедненного слоя, т.к. токи, протекающие через р-n-переход, образуются в основном носителями заряда р- и n-областей, а не обедненного слоя.

Основными величинами, характеризующими р-n-переход в равновесном состоянии, являются высота потенциального барьера, называемая также контактной разностью потенциалов, Δφ₀ или U_K и ширина перехода l₀.

Дата добавления: 2015-06-04