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

122 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

22588. Співучасть у злочині 32.16 KB
  Підставою відповідальності тут є той самий склад злочину але вчинюваний у співучасті. Об'єктивні ознаки співучасті виражені у такому формулюванні: злочин вчинений кількома двома або більше суб'єктами злочину спільно. Виконавцем співвиконавцем вважається особа яка безпосередньо або шляхом використання інших осіб що не є суб'єктами злочину вчинила конкретний злочин ч.
22589. Робочий час і його види 34.41 KB
  Згідно з діючим законодавством можна виділити такі види робочого часу: нормальна тривалість робочого часу; скорочений робочий час; неповний робочий час; нормований і ненормований робочий час; надурочний робочий час; нічний робочий час. 50 Кодексу законів про працю України нормальна тривалість робочого часу працівників не може перевищувати 40 годин на тиждень. Але підприємства і організації при укладанні колективного Договору можуть встановлювати меншу норму тривалості робочого часу тобто менше 40 годин на тиждень.
22590. Екологічні права і обовязки громадян 18.98 KB
  Громадяни мають право брати участь в обговоренні проектів законодавчих актів матеріалів щодо розміщення будівництва і реконструкції об'єктів які можуть негативно впливати на стан навколишнього природного середовища та внесення пропозицій до державних та господарських органів установ та організацій з цих питань. Кожен громадянин України має право на участь у розробці та здійсненні заходів щодо охорони навколишнього природного середовища раціонального і комплексного використання природних ресурсів. Громадяни можуть об'єднуватися у...
22591. Адміністративні правовідносини 57 KB
  Основні ознаки адміністративних правовідносин: вони виникають на основі адміністративноправових норм; характеризуються наявністю сторін що іменуються суб'єктами адміністративного права; за змістом включають в себе адміністративні права владного характеру і юридичні обов'язки; є видом суспільних відносин державних органів фізичних або юридичних осіборганізацій і спільностей; здійснення суб'єктивних прав або додержання юридичних обов'язків у правовідносинах контролюється і забезпечується державою; Групувати адміністративні правовідносини...
22592. Права та форми власності на землю 64 KB
  Земля в Україні може перебувати у приватній комунальній та державній власності. Суб'єкти права власності на землю. а громадяни та юридичні особи на землі приватної власності; б територіальні громади які реалізують це право безпосередньо або через органи місцевого самоврядуванні на землі комунальної власності; в держава яка реалізує це право через відповідні органи державної влади на землі державної власності.
22593. Цивільне - правові угоди та договори 33.93 KB
  Угоди укладають як юридичні так і фізичні особи. Угоди бувають односторонніми для виникнення такої угоди достатньо волевиявлення однієї сторони; двосторонніми для виникнення угоди необхідні зустрічні волевиявлення двох сторін; багатосторонніми для їх виникнення необхідне волевиявлення трьох і більше сторін. Деякі угоди можуть бути як платними такі безоплатними наприклад договір схову.
22594. Договір найму жилого приміщення 30.71 KB
  Договір найму жилого приміщення в будинках що належать громадянам на правах особистої власності укладається з власником будинку. Предметом договору найму жилого приміщення в будинках державного і громадського житлового фонду є окрема квартира чи інше ізольоване житлове приміщення а також одноквартирний жилий будинок. Не можуть бути самостійним предметом договору найму: жиле приміщення яке хоча і є ізольованим але розмір якого менший від установленого для надання одній особі; частина кімнати або кімнат з'єднаних з іншою кімнатою...
22595. Контролер локальних дисків 63.5 KB
  Програмування контролера НГМД 765 і мікросхеми прямого доступу до пам'яті 8237. Мікросхема контролера НГМД 765 фірми NEC управляє мотором і головками накопичувача на дискетах і обробляє потоки даних що направляються в або з дискових секторів. Один контролер встановлений на платі адаптора дисків може обслуговувати до чотирьох НГМД. За винятком випадків пов'язаних із захистом від копіювання програмістам не доводиться програмувати мікросхему контролера НГМД напряму.
22596. Імітаційна модель процесора 97.5 KB
  Команда як послідовність деяких дій над даними виконується по тактам мікропрограма команди. Команда має вигляд: Код команди 1й операнд 2й операнд . Найчастіше результат команди заноситься за місцем першого операнда. Формат операндів закладається у формат команди.