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

117 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

29357. Алгоритм перевода выражений в польскую запись 37.5 KB
  При работе семантических программ широко используется набор данных с организацией в виде стека. Операнды переписываются в выходную строку а операторы заносятся в стек. В зависимости от приоритета операторов при записи в стек оператор может вытолкнуть из стека другой оператор который последовательно записывается в выходную строку. Работа со стеком организуется так:1.
29359. Машинно-независимая оптимизация линейных участков программ 26.5 KB
  Покажем простейшие преобразования линейных и циклических участков для тетрадной формы программ:Машиннонезависимая оптимизация линейных участков программЛинейным участком программы называется последовательность операцийкоманд которая не содержит условных переходов возможно кроме последней операции. Для оптимизации линейных участков в простейшем случае используется два основных преобразования:1. В списке тетрад выделит границы участков включающих вычисления выражений по операторам присвоения;2.
29360. Машинно-независимая оптимизация циклических участков программ 28 KB
  Рассмотрим возможные преобразования над цикличными участками покажем на примере констрии цикла с заданным количеством повторения.В языке Паскаль такая циклическая конструкция имеет следующий вид: for i: =a to b dobeginтело циклаend;В бейсике: for i =a to b step Sтело циклаnext iв таких конструкциях а и b границы изменения переменной циклаНад подобными конструкциями выполняются следующие оптимизационные преобразования:1. вынесение из тела цикла операций операций которые не измен. в теле цикла;2.
29361. Генерация объектного кода для тетрадной формы представления программ 99.5 KB
  последовательность команд загруженных в фиксированные ячейки памяти2. последовательность перемещенных машинных команд3. Предположим что сумматор может выполнять 4 арифметические операции а в целом система команд также включает еще 2 команды: загрузки сумматора из памяти и сохранение результатов в память.Систему команд такой машины можно представить следующим образом:При выполнении любой из первых двух команд содержимое источника копируется в приемник а при выполнении оставшихся 4 команд содержимое ячейки памяти не изменяется.
29362. Генерация объектного кода по семантическому дереву 52.5 KB
  Существует 3 формы объектного кода1. Чтобы показать процесс генерации кода можно рассмотреть теоретическую вычислительную машину с одним сумматором и неограниченной памятью.Генерация кода осуществляется для программы представленной в некоторой внутренней форме наиболее удобной из которых для генерации кода является список тетрад.
29363. Машинно – зависимая оптимизация объектного кода в языковых процессорах САПР 25 KB
  В самом простом случае машиннозависимая оптимизация заключается в удалении из сформированной последовательности команд избыточных команд загрузки и чтения. Если сложение является коммутативной операцией то последовательность команд LOAD OP1 можно заменить LOAD OP2 ADD OP2 = ADD OP1 2. Если умножение является коммутативной операцией то последовательность команд LOAD OP1 можно заменить LOAD OP2 MULT OP2 = MULT OP1 Эти 2 правила основаны на свойстве коммутативности операций и обеспечивают перестановку местами операндов в соответствующих...
29364. Хеш – адресация в информационных таблицах 51.5 KB
  В основе организации таблиц с хешадресацией лежит процедура хеширования. Хеширование преобразование символьного имени идентификатора в числовой индекс элемента таблицы с помощью простых арифметических и логических операций.Конкретный способ хеширования задает хешфункция.
29365. Методы вычисления хеш-функции 24 KB
  Хорошая хешфункция распределяет вычисляемые индексы элементов в таблице равномерно по всей таблице чтобы уменьшить количество возникающих коллизий. Лучший результат дает использование в качестве хешфункции кода последнего символа имени.В трансляторах хешфункция является более сложной и зависит как от кодов внутреннего представления символов имени так и от его длины.