1109

Контактные явления в полупроводниках

Доклад

Физика

Свойства контактов полученных из полупроводниковых материалов. Структура простейшего контакта, p-n перехода. Прямое напряжение на переходе. Контакт металл-полупроводник.

Русский

2013-01-06

272 KB

116 чел.

Контактные явления в полупроводниках.

Здесь речь пойдет о свойствах контактов полученных из полупроводниковых материалов; это

а) pn переход,

б) контакты p+-p и n+-n, + означает материал с повышенной концентрацией примеси,

в) p- полупроводник – металл и n- полупроводник – металл (контакты Шоттки),

г) несимметричные контакты, в которых концентрации примесей различны в областях полупроводника (N – концентрация примесей в 1/см3 Nn > Np или Np > Nn),

д) гетероконтакты выполненные из полупроводников различного типе , например, дырочный германий (p-Ge) и электронный кремний (n-Si).

Вспомним свойства обычного p-n перехода. На рис. 4 показана его простейшая структура, хотя существует довольно много технологий его изготовления (сплавная, точечная, меза и др.), которые придают ему особые свойства.

                                      

                            Рис. 4 Структура простейшего контакта, p-n перехода

По законам диффузии концентрации электронов и дырок стремятся выровняется, поэтому  носители из приконтактных областей уходят в область пониженной концентрации (дырки из p в n, электроны наоборот). Атом примеси лишается носителя и в кристалле образуются неподвижные ионы (см. рис. 4). За счет этих зарядов возникает электрическое поле Евн, препятствующее движению носителей, процесс диффузии прекращается. Итог таков.

- В области контакта образовался слой не содержащий носителей тока, по существу слой диэлектрика (запирающий слой).

-Если его не убрать, контакт не будет проводить электрический ток.

Электрическое поле контакта создает потенциальный и энергетический (Wб) барьеры для носителей и это отражается на энергетической диаграмме. Построим ее (рис. 5), вспомнив положение уровней Ферми в примесных полупроводниках.

                                      Рис. 5 Энергетическая диаграмма p-n перехода

Сам p-n переход это слой обедненный подвижными носителями, по сути слой диэлектрика.

Далее будем подавать на переход напряжение от внешнего источника ЭДС. При подаче  «+» в p область а «–» в n область кристалла на переходе возникает внешняя напряженность электрического поля Евнеш направленная навстречу Е вн (см. рис. 4). Результирующее поле уменьшается, запирающий слой исчезает и структура переходит в состояние проводимости. Это напряжение называется прямым, Uпр. На энергетической диаграмме происходит деформация уровня Ферми в сторону уменьшения энергетического барьера, рис. 6. Ток через переход обеспечивается основными носителями, количество которых велико.

                   

                  Рис.6 Прямое напряжение на переходе

При смене полярности источника (обратное напряжение на переходе) происходит обратная картина. Энергетический барьер на переходе возрастает, проводимость ухудшается и тока практически не будет. Весьма небольшой обратный ток возникнет за счет неосновных носителей, то-есть тех немногочисленных электронов, которые есть в «p» области кристалла и дырок, которые есть в «n» области. Суммарный ток неосновных носителей называется током насыщения I0.

Контакты типа p+-p и n+-n обладают очень слабыми нелинейными свойствами, в специальных приборах не применяются и используются как омические контакты, например, при создании вывода из p и n областей.

Контакты Шоттки на основе соединения металла и полупроводника обладают интересными свойствами, которые зависят от подбора материалов (рис. 7). В физике твердого тела существует понятие «работа выхода электрона W»; это энергия, которую необходимо затратить электрону для выхода из тела в окружающее пространство.

                 Рис. 7. Контакт «металл-полупроводник»

Допустим, есть контакт металла и «n» полупроводника их работы выхода находятся в следующем соотношении. При таком соотношении работ, электроны из металла будут переходить в полупроводник и насыщать его приконтактный слой. Проводимость этого слоя увеличивается. В структуре все области обладают хорошей проводимостью. Таким образом, сформировался обычный проводящий (омический)   контакт. Иная картина получится при обратном соотношении работ выхода,  Wм>Wn. Теперь уже электроны уходят из полупроводника в металл. К электронам в металле, которых очень много добавляются перешедшие, которые практически не меняют его проводимость. А вот электроны ушедшие из полупроводника ухудшают его проводимость, обнажают атомы примеси, за счет чего на контакте образуется электрическое поле. В итоге возник энергетический барьер, как и в «p-n» переходе, но обладающий особыми свойствами, это

-высокое быстродействие,

-небольшой порог открывания.

Контакт с такими свойствами называется диодом Шоттки.

Несимметричные контакты – это p-n переходы в которых концентрация примесей в p и n областях различна. Такой контакт обозначается  p+-n  (или p-n+) и показан на рис. 8.

При прямых напряжениях большее количество дырочной примеси обеспечивает прямой ток в основном за счет дырочных носителей. В этом основное отличие несимметричного перехода от симметричного. Область с повышенной концентрацией примеси называется эмиттером, а с пониженной – базой.

                              

                                Рис.8 Несимметричный контакт  

Такой же результат получается и у гетероперехода. На рис.9 показана энергетическая диаграмма контакта кремния и арсенида галлия.

                                    Рис. 9 Гетеропереход

Так как ширина запрещенной зоны у этих материалов различна, Wз1<Wз2, возникают различные по высоте энергетические барьеры  для электронов и дырок. В данном случае барьер для электронов Wб значительно меньше чем для дырок. При подаче прямого напряжения в первую очередь исчезает препятствие для движения электронов и прямой то перехода это ток электронов.

Для несимметричных и гетеропереходов вводится показатель – коэффициент инжекции  γ, равный отношению тока преобладающих носителей к прямому суммарному току через открытый переход, γ=In/(In+Ip).

Сведения этого раздела подробно изложены в курсе физики.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81544. Металлотионеин и обезвреживание ионов тяжелых металлов. Белки теплового шока 109.86 KB
  Белки теплового шока. Белки теплового шока это класс функционально сходных белков экспрессия которых усиливается при повышении температуры или при другихстрессирующих клетку условиях. Повышение экспрессии генов кодирующих белки теплового шока регулируется на этапе транскрипции. Чрезвычайное усиление экспрессии генов кодирующих белки теплового шока является частью клеточного ответа на тепловой шок и вызывается в основном фактором теплового шока HSF англ.
81545. Токсичность кислорода: образование активных форм кислорода (супероксид анион, перекись водорода, гидроксильный радикал) 132.6 KB
  К активным формам кислорода относят: ОН гидроксильный радикал; супероксидный анион; Н2О2 пероксид водорода. Активные формы кислорода образуются во многих клетках в результате последовательного одноэлектронного присоединения 4 электронов к 1 молекуле кислорода. Конечный продукт этих реакций вода но по ходу реакций образуются химически активные формы кислорода.
81546. Повреждение мембран в результате перекисного окисления липидов. Механизмы защиты от токсического действия кислорода: неферментативные (витамины Е, С, глутатион и др.) и ферментативные (супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза) 114.75 KB
  Активация перекисного окисления характерна для многих заболеваний: дистрофии мышц болезнь Дюшенна болезни Паркинсона при которых ПОЛ разрушает нервные клетки в стволовой части мозга при атеросклерозе развитии опухолей. Изменение структуры тканей в результате ПОЛ можно наблюдать на коже: с возрастом увеличивается количество пигментных пятен на коже особенно на дорсальной поверхности ладоней. Этот пигмент называют липофусцин представляющий собой смесь липидов и белков связанных между собой поперечными ковалентными связями и...
81547. Биотрансформация лекарственных веществ. Влияние лекарств на ферменты, участвующие в обезвреживании ксенобиотиков 105.66 KB
  Гидрофобные соединения легко проникают через мембраны простой диффузией в то время как лекарственные вещества нерастворимые в липидах проникают через мембраны путём трансмембранного переноса при участии разных типов транслоказ. Следующие этапы метаболизма лекарственного вещества в организме тоже определяются его химическим строением гидрофобные молекулы перемещаются по крови в комплексе с альбумином кислым агликопротеином или в составе липопротеинов. В зависимости от структуры лекарственное вещество может поступать из крови в клетку...
81548. Основы химического канцерогенеза. Представление о некоторых химических канцерогенах: полициклические ароматические углеводороды, ароматические амины, диоксиды, митоксины, нитрозамины 135.77 KB
  В покоящихся клетках ДНК двухспиральна и азотистые основания защищены от воздействия повреждающих агентов. Первичные или вторичные эпоксиды обладая высокой реакционной способностью могут взаимодействовать с нуклеофильными группами в молекуле ДНК. Метаболизм нитрозаминов микросомальной системой окисления приводит к образованию иона метилдиазония который способен метилировать ДНК клеток индуцируя возникновение злокачественных опухолей лёгких желудка пищевода печени и почек Основным продуктом взаимодействия нитрозаминов с ДНК клетки...
81549. Особенности развития, строения и метаболизма эритроцитов 107.69 KB
  Эритроциты - высокоспециализированные клетки, которые переносят кислород от лёгких к тканям и диоксид углерода, образующийся при метаболизме, из тканей к альвеолам лёгких. Транспорт О2 и СО2 в этих клетках осуществляет гемоглобин, составляющий 95% их сухого остатка. Организм взрослого человека содержит около
81550. Транспорт кислорода и диоксида углерода кровью. Гемоглобин плода (HbF) и его физиологическое значение 152.69 KB
  Поэтому в легочных капиллярах происходит насыщение крови кислородом а в тканевых капиллярах где парциальное давление кислорода резко снижено осуществляется отдача кислорода тканям. Содержание гемоглобина в крови здорового человека составляет...
81551. Полиморфные формы гемоглобинов человека. Гемоглобинопатии. Анемические гипоксии 135.14 KB
  Гемоглобинопатии. Анемические гипоксии Гемоглобины взрослого человека В эритроцитах взрослого человека гемоглобин составляет 90 от всех белков данной клетки. Гемоглобин А основной гемоглобин взрослого организма составляет около 98 от общего количества гемоглобина тетрамер состоит из 2 полипептидных цепей α и 2 β 2α2β.
81552. Биосинтез гема и его регуляция. Нарушения синтеза тема. Порфирии 175.5 KB
  Нарушения синтеза тема. В костном мозге гем необходим для синтеза гемоглобина в ретикулоцитах в гепатоцитах для образования цитохрома Р450. Первая реакция синтеза гема образование 5аминолевулиновой кислоты из глицина и сукцинилКоА идёт в матриксе митохондрий где в ЦТК образуется один из субстратов этой реакции сукцинилКоА. В цитоплазме проходят промежуточные этапы синтеза гема: соединение 2 молекул 5аминолевулиновой кислоты в молекулу порфобилиногена дезаминирование порфобилиногена с образованием гидроксиметилбилана...