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

121 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

81835. Размещение производительных сил и транспортных узлов 23.87 KB
  При планировании и в практике размещения производительных сил в стране непременно учитывается конфигурация и мощность существующей сети путей сообщения и предусматривается ее развитие в соответствии с перспективными задачами народного хозяйства.
81836. Транспортная сеть города 26.41 KB
  Транспортная инфраструктура в планировочной структуре современного города является основой вокруг которой образуются и развиваются элементы городской среды: микрорайоны жилые районы общегородские и районные центры зоны в которых размещаются производственные предприятия объекты здравоохранения спортивные комплексы рекреационные объекты и т. Городская транспортная инфраструктура неразрывно связана с внешними междугородными транспортными коммуникациями являясь их логическим продолжением в планировочной структуре города и наоборот. Как...
81837. Технико – эксплуатационные характеристики промышленного транспорта 25.22 KB
  Промышленный транспорт - это совокупность транспортных средств, сооружений и путей промышленных предприятий, предназначенных для обслуживания производственных процессов, перемещения сырья, полуфабрикатов и готовой продукции на территории обслуживаемого предприятия.
81838. Классификация транспортных узлов по функциональным признакам 26.65 KB
  В отношении географического фактора узлы могут располагаться на территории где отсутствуют море и судоходные реки или на берегах указанных водоемов; на конструкции узлов оказывает влияние характер производительных сил род промышленности: добывающая обрабатывающая смешанная; наконец существенное влияние на конструкцию узлов оказывают размеры местных пассажирских перевозок. В этом отношении они могут быть подразделены на узлы: с одной станцией тупиковые треугольные крестообразные с последовательным расположением станций с...
81839. Производительность труда на разных видах транспорта 27.98 KB
  Рассмотренные экономические показатели тесно связаны между собой: с увеличением производительности труда снижается себестоимость возрастают прибыль и рентабельность перевозок. Производительность труда в целом по сети или отдельным железным дорогам и их отделениям определяется условнонатуральным методом ее расчета Птр=∑Pℓприв Чсп ∑Pℓприв=∑Pℓн2∑ℓ 4.При существующем дефиците трудовых ресурсов в стране показатель производительности труда приобретает особо важное значение при выборе того или иного вида транспорта.
81840. Технико–эксплуатационные характеристики автомобильного транспорта 25.72 KB
  Его высокая маневренность позволяет организовать перевозку грузов непосредственно от склада отправителя до склада получателя. Автотранспорт обеспечивает главным образом внутрирайонные и внутригородские перевозки грузов и пассажиров завозит и вывозит грузы с железнодорожных станций морских и речных портов и аэропортов. Широко используется автотранспорт на внутрипроизводственных перемещениях грузов почти во всех отраслях промышленности в строительстве и сельском хозяйстве. Большой объем перевозок грузов выполняется автомобилями занятыми в...
81841. Прямые, смешанные перевозки, их эффективность 25.69 KB
  На начало 90х годов большинство грузовых перевозок осуществлялось с участием двух и более видов транспорта т. С автомобильного транспорта на железнодорожный на грузовых районах и контейнерных пунктах по ориентировочной оценке в 1994 г. было передано не менее 4550 млн т различных грузов а с железнодорожного транспорта на автомобильный примерно 100 млн т в 2 раза больше.
81842. Принципы выбора видов транспорта 26.81 KB
  Четвертый принцип обеспечение достоверной и достаточной информированности потребителей транспортных услуг в частности через рекламу о емкости качестве и стоимости этих услуг благодаря наличию хорошей экспедиторской службы по обслуживанию клиентов развитию материальных подходов в работе транспортных предприятий. Объективная информация транспортных услугах позволяет потребителям проводить сравнительные расчеты по оптимизации своих затрат на транспорт рационализировать перевозку и эффективнее размещать заказы определять более выгодные рынки...
81843. Технико–эксплуатационные характеристики железнодорожного транспорта 27.33 KB
  Массовость перевозок в сочетании с довольно низкой себестоимостью малые эксплуатационные расходы и достаточно высокой скоростью доставки; более короткий путь следования по сравнению с естественными путями водного транспорта. Относительные недостатки железнодорожного транспорта: ограниченная маневренность из-за привязки к колее; высокая первоначальная стоимость основных фондов: стоимость строительства 1 км однопутной линии примерно 10 млн.