Глава 3

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ КОНТАКТЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ § 3.1. Структура электронно-дырочного перехода

Образование перехода. Под электронно-дырочным переходом (р-п-переходом) понимают переходный слой между двумя областями полупроводника с разной электропроводностью. Электронно-дырочный переходсоздают внутри полупроводника путем введения в одну его область донорной, а в другую акцепторной, примеси. В зависимости от степени легирования областей полупроводника, т. е. концентрации основных носителей, различают симметричные и несимметричные (или резкие) электронно-дырочные переходы.

В симметричных переходах концентрация носителей в областях полупроводника почти одинакова (рр - Пи). В несимметричных .пе-реходах концентрации могут различаться во много раз (ррПп или ПпРр). По конструктивному исполнению переходы могут быть плоскостными и точечными. Плоскостным называют переход, у которого линейные размеры, определяющие его площадь, намного превышают его толщину. При малых линейных размерах контактирующей площади переходы относят к точечным.

Физические процессы. Рассмотрим процессы в переходе полупроводника, одна область которого легирована акцепторными примесями (р-область), а другая- донорными (п-область). Если концентрация акцепторных примесей в р-области больше (около 10* см), чем донорных (около 10 смз) п-области, т. е. ррПп (рис. 3.1, кривые 1), следовательно, р-п-переход будет несимметричным. При комнатной температуре атомы акцепторных и донорных примесей можно считать полностью ионизированными, поэтому в р-области концентрация дырок практически равна концентрации отрицательных ионов акцепторов (pp~A/a), а в полупроводнике п-типа концентрация электронов равна концентрации положительных ионов доноров {Пп = Мр). Кроме основ--ных носителей заряда, в обеих областях в результате генерации пар зарядов содержатся в небольших количествах неосновные носители- электроны ftp в р-области и дырки Рп в «-области. Концентрация основных носителей заряда в областях кристалла полупроводника обычно намного больше концентрации неосновных носителей [рр»р„, ftn>ftp (см.

Рис. 3.1. Концентрация подвижных за- рис 3.1) ].

рядов в несимметричном переходе При неравенстве концентрации

N,cn- р-область

г)-оЬласть

частиц в областях на их границе раздела возникает градиент концентрации носителей заряда каждого знака. Из-за градиента концентрации носители заряда диффундируют из области с высокой концентрацией в область с пониженной концентрацией: дырки из р-области в гг-область, а электроны - в противоположном направлении.

В результате диффузии основных носителей заряда перераспределяются электрические заряды в областях монокристалла, примыкающих к контакту (плоскости, где меняется тип проводимости),, и нарушается их электрическая нейтральность. Дырки, переходя в. п-область, рекомбинируют с электронами этой области и в ней появляются нескомпенсированные неподвижные положительные заряды (ионизированные доноры). Электроны, переходя в р-область,. рекомбинируют с дырками этой области и в ней появляются нескомпенсированные неподвижные отрицательные заряды (ионизированные акцепторы).

Электрическое поле р-гг-перехода. В результате диффузии основных носителей заряда между электронной и дырочной областями полупроводника вблизи границы их раздела возникает область объемного заряда, состоящая из двух разноименных заряженных слоев, (рис. 3.2, а).

Между этими нескомпенсированными разноименными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от п-области к р-области. Напряженность этого диффузионного электрического поля £диф максимальна на границе изменения знака заряда, где происходит изменение плотности и-знака объемных зарядов (рис. 3.2, б).

Возникшее диффузионное электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через контакт. В кристалле устанавливается равновесное состояние. Между п- и р-облас-тями при этом существует контактная разность потенциалов. Потенциал п-области положителен по отношению к потенциалу р-области.

Энергетическая диаграмма перехода. Зонные диаграммы для р-и п-области полупроводника при отсутствии контакта между ними

Ионы снаепторо&<

Электроны

\ Дырка

Ионы донороВ

Рис. 3.2. Схема образования объемного заряда и его электрического поля

Рис. 3.3. Зонные диаграммы p- и п-областей и р-и-перехода

приведены на рис. 3.3, а. Каждая область характеризуется своей диаграммой уровней. При наличии контакта между областями и образовании электронно-дырочного перехода диаграмма энергетических зон в области перехода искривляется (рис. 3.3, б). Вдали от контакта р- и п-областей (если области легированы равномерно) электрическое поле отсутствует. Поэтому за пределами р-п-перехо-да расположение разрешенных зон и уровня Ферми не меняется.

В связи с тем что напряженность диффузионного электрического поля в переходе направлена от «-полупроводника к р-полупро-воднику, на диаграмме соответствующие энергозоны для п-области сдвинуты, т. е. изображены ниже, чем для р-области. Величина сдвига определяется тем, что в равновесном состоянии уровень Ферми является общим для всего объема полупроводника и расположен внутри запрещенной зоны на одной высоте энергетической диаграммы. Величина сдвига зон соответствует контактной разности потенциалов Афо или высоте потенциального барьера перехода.

Высота потенциального барьера. Величина потенциального барьера перехода равна контактной разности потенциалов (рис. 3.2, е).

где фвр и фЕп - электростатические потенциалы р- и п-областей вне перехода.

Согласно (2.18) их можно выразить через равновесные концентрации свободных электронов Пр„ и Лп„ или дырок Рр„ и рпо в р- и л-областях:

гр = г-Ут"(%./) « г« = Р-Рт"(««о/-)- (3-2)

Высота равновесного потенциального барьера

АРо = Pj. In(n„y«,j и Д% = ln(ppjp„j. (3.3)

Практически высота потенциального барьера в р-п-переходе «пределяется концентрацией примесей в р- и «-областях полупроводника. В р-области с высокой концентрацией примеси уровень