$Математика$	Электротехника и электроника
1. Основы полупроводниковой электроники. Контактные явления: 1.2. Электронно - дырочный переход.

1.2.1. Электронно - дырочный переход без внешнего воздействия

В полупроводниковых приборах и микросхемах применяют кристаллы, в которых можно выделить области собственного полупроводника (i -типа), области с донорными (n-типа) и акцепторными ( р -типа) примесями, границы между полупроводниками с разными типами проводимости и с различной концентрацией примеси, слои между полупроводником и металлом для организации внешних выводов или других функциональных назначений.

Границу между двумя областями полупроводника с разными типами проводимости называют электронно-дырочным переходом или p-n - переходом. Переходы между двумя областями полупроводника одного и того же типа электропроводности, но с различными значениями удельной электрической проводимости называют изотипными переходами. Различают изотипные электронно-электронный (n-n+) и дырочно-дырочный (р-р+) переходы, причем знак «+» отмечает область с более высокой концентрацей соответствующих носителей заряда, полученной за счет большей концентрации примесей.

В зависимости от используемых в переходах материалов их разделяют на гомогенные и гетерогенные. Гомогенным переходом называют переход, созданный в одном полупроводниковом материале (только в германии, только в кремнии, только в арсениде галлия). Гетерогенный переход создается на границе различных полупроводниковых материалов: германий-кремний, кремний-арсенид галлия.

В зависимости от характера изменений концентрации примесей на границе различают ступенчатый и плавный p-n -переходы; в ступенчатом переходе изменение концентрации имеет скачкообразный характер. Здесь концентрация примесей на границе изменяется на расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной L. В плавном переходе такие изменения происходят на расстоянии, значительно превышающем L.

Особую роль играют переходы металл-полупроводник (МП), являющиеся неотъемлемой частью каждого полупроводникового прибора. Различают невыпрямляющие (или омические) и выпрямляющие переходы МП. Выпрямляющие переходы имеют характеристики, зависящие от направления и величины приложенного к ним напряжения.

Любой электрический переход не может быть создан путём простого соприкосновения двух полупроводниковых кристаллов. Для их изготовления используют специальные технологические приемы. В настоящее время наиболее распространены сплавные и диффузионные переходы.

Для изготовления сплавного перехода на поверхности чистого полупроводника укрепляют небольшую «таблетку» примеси и помещают в печь, где происходит ее нагрев до температуры ниже точки плавления полупроводника, но выше точки плавления примеси. В результате происходит вплавление в кристалл примеси и формирование p-n-перехода.

Для изготовления диффузионного p-n-перехода сначала полупроводниковую пластину с защитным окисным слоем предварительно обрабатывают, создавая «окна» заданной конфигурации на ее поверхности, а затем через них проводят диффузию примеси.¹

При создании технологического контакта материалов с разными типами проводимости в области границы образуется небольшой слой, который и называется собственно p-n-переходом (рис.1.2)

Рис. 1.2

В этой области противоположно заряженные неподвижные ионы примесей создают отталкивающее поле для основных носителей заряда, и последние уходят из зоны соприкосновения. При этом движение основных носителей осуществляется за счет диффузии и рекомбинации с неосновными носителями. Для неосновных носителей (дырок в полупроводнике n -типа и электронов в полупроводнике р-типа) поле зарядов является ускоряющим, и они дрейфуют к «соседям».

В результате на границе образуется обедненный носителями обоих типов слой, он имеет большое удельное сопротивление.

Двойной слой зарядов неподвижных ионов примесей в слое не компенсированы электронами и дырками, что создает внутреннее электрическое поле с напряженностью Е . Это поле препятствует переходу дырок из области р в область n и электронов из области n в область р . Но оно же создает дрейфовый поток, перемещающий дырки из области n в область р и электроны из области р в область n (дрейф неосновных носителей). Обедненный слой и есть p-n-переход.

В установившемся режиме дрейфовый поток равен диффузионному. При одинаковой концентрации основных носителей заряда справа и слева от границы, p-n-переход симметричен. Если концентрации не одинаковы, то говорят о несимметричном p-n-переходе. В этом случае слой с большей концентрацией основных носителей (меньшим удельным сопротивлением или большей проводимостью) называют эмиттером, а с меньшей концентрацией – базой. В базе ширина обедненного слоя шире.

Поле Е оценивается потенциальным барьером для основных носителей, который препятствует их диффузии в полупроводник другого типа. В электротехнике величину потенциала определяют как работу на перемещение единичного положительного заряда. При этом график распределения потенциалов вдоль перехода имеет вид, представленный на рис.1.3.

Рис. 1.3

При отсутствии внешнего поля величина потенциального барьера (или контактная разность потенциалов) определяется соотношением

(1.2)

где е = 1,6·10^-19 кул – заряд электрона, k = 1,38·10^-23 - постоянная Больцмана, Т- абсолютная температура, N_А, N_Д – концентрация атомов акцепторов и доноров, n_р, n_n–концентрации дырок и электронов в р и n-областях, - температурный потенциал. Для комнатной температуры температурный потенциал составляет примерно 0,025 вольт. Ширину (или толщину) несимметричного резкого p - n -перехода можно вычислить по формуле

(1.3)

Она составляет обычно единицы микрометров.

Как следует из формулы (1.3) для увеличения ширины p-n-перехода нужно использовать слабо легированные полупроводники, а для создания узкого перехода – сильно легированные.

¹ Более подробно технология изготовления полупроводниковых приборов изложена в курсе «Технологические процессы микроэлектроники».