Выпрямление на контакте металл — полупроводник

Рассмотрим некоторые особенности механизма процессов, происходящих при приведении в контакт металла с полупроводником. Для этого возьмем полупроводник n-типа с работой выхода А, меньшей работы выхода А_м из металла. Соответствующие энергетические диаграммы до и после вступления в контакт показаны на рис. 333, а, б.

Если А_м > А, то при контакте электроны из полупроводника будут переходить в металл, в результате чего контактный слой полупроводника обеднится электронами и зарядится положительно, а металл — отрицательно. Этот процесс будет происходить до достижения равновесного состояния, характеризуемого, как и при контакте двух металлов, выравниванием уровней Ферми для металла и полупроводника. На контакте образуется двойной электрический слой d, поле которого (контактная разность потенциалов) препятствует дальнейшему переходу электронов. Вследствие малой концентрации электронов проводимости в полупроводнике (порядка 10¹⁵ см^-3 вместо 10²²см^-3 в металлах) толщина контактного слоя в полупроводнике достигает примерно 10^-6см, т.е. примерно в 10 000 раз больше, чем в металле. Контактный слой полупроводника обеднен основными носителями тока — электронами в зоне проводимости, и его сопротивление значительно больше, чем в остальном объеме полупроводника. Такой контактный слой называется запирающим.

Рис. 333

При d = 10^{-6 см и 1 В напряженность электрического поля контактного слоя 108} В/м. Такое контактное поле не может сильно повлиять на структуру спектра (например, на ширину запрещенной зоны, на энергию активации примесей и т. д.) и его действие сводится лишь к параллельному искривлению всех энергетических уровней полупроводника в области контакта (рис. 333, б). Так как в случае контакта уровни Ферми выравниваются, а работы выхода — величины постоянные, то при А_м > А энергия электронов в контактном слое полупроводника больше, чем в остальном объеме. Поэтому в контактном слое дно зоны проводимости поднимается вверх, удаляясь от уровня Ферми. Соответственно происходит и искривление верхнего края валентной зоны, а также донорного уровня.

Помимо рассмотренного выше примера возможны еще следующие три случая контакта металла с примесными полупроводниками: а) А_м < А, полупроводник n-типа; б) А_м > А, полупроводник р-типа; в) А_м < А, полупроводник р-типа. Соответствующие зонные схемы показаны на рис. 334.

Если А_м < А, то при контакте металла с полупроводником п-типа электроны из металла переходят в полупроводник и образуют в контактном слое полупроводника отрицательный объемный заряд (рис. 334, а). Следовательно, контактный слой полупроводника обладает повышенной проводимостью, т. е. не является запирающим. Рассуждая аналогично, можно показать, что искривление энергетических уровней по сравнению с контактом металл — полупроводник п-типа (А_м > А) происходит в обратную сторону.

Рис. 334

При контакте металла с полупроводником р-типа запирающий слой образуется при А_м < А (рис, 334, в), так как в контактном слое полупроводника наблюдается избыток отрицательных ионов акцепторных примесей и недостаток основных носителей тока — дырок в валентной зоне. Если же А_м > А (рис. 334, б), то в контактном слое полупроводника р-типа наблюдается избыток основных носителей тока — дырок в валентной зоне, контактный слой обладает повышенной проводимостью.

Исходя из приведенных рассуждений, видим, что запирающий контактный слой возникает при контакте донорного полупроводника с меньшей работой выхода, чем у металла (см. рис. 333, б), и у акцепторного — с большей работой выхода, чем у металла (рис. 333, в).

Запирающий контактный слой обладает односторонней (вентильной) проводимостью, т. е. при приложении к контакту внешнего электрического поля он пропускает ток практически только в одном направлении: либо из металла в полупроводник, либо из полупроводника в металл. Это важнейшее свойство запирающего слоя объясняется зависимостью его сопротивления от направления внешнего поля. Если направления внешнего и контактного полей противоположны, то основные носители тока втягиваются в контактный слой из объема полупроводника; толщина контактного слоя, обедненного основными носителями тока, и его сопротивление уменьшаются. В этом направлении, называемом пропускным, электрический ток может проходить через контакт металл — полупроводник. Если внешнее поле совпадает по знаку с контактным, то основные носители тока будут перемещаться от границы с металлом; толщина обедненного слоя возрастает, возрастает и его сопротивление. Очевидно, что в этом случае ток через контакт отсутствует, выпрямитель заперт — это запорное направление. Для запирающего слоя на границе металла с полупроводником n-типа (А_м > А) пропускным является направление тока из металла в полупроводник, а для запирающего слоя на границе металла с полупроводником р-типа (А_м < А) — из полупроводника в металл.

§ 249. Контакт электронного и дырочного полупроводников (р-п-переход)

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой — дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (или р-n-переходом). Эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов. p-n-Переход нельзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычно области различной проводимости создают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов. Например, на кристалл германия n-типа накладывается индиевая «таблетка» (рис. 335, а).

Рис. 335

Эта система нагревается примерно при 500^oС в вакууме или в атмосфере инертного газа; атомы индия диффундируют на некоторую глубину в германий. Затем расплав медленно охлаждают. Так как германий, содержащий индий, обладает дырочной проводимостью, то на границе закристаллизовавшегося расплава и германия n-типа образуется р-n-переход (рис. 335, б).

Рассмотрим физические процессы, происходящие в р-n-переходе (рис.336). Пусть донорный полупроводник (работа выхода — А_n, уровень Ферми — ) приводится в контакт (рис. 336, б) с акцепторным полупроводником (работа выхода — А_р, уровень Ферми — ). Электроны из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении — в направлении .

В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается неском-пенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизованных донорных атомов. В р-полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов (рис. 336, а).

Рис. 336

Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой, поле которого, направленное от п-области к р-области, препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении и дырок в направлении . Если концентрации доноров и акцепторов в полупроводниках п- и р-типа одинаковы, то толщины слоев d₁ и d₂ (рис. 336, а), в которых локализуются неподвижные заряды, равны (d₁ = d₂).

При определенной толщине р-п-перехода наступает равновесное состояние, характеризуемое выравниванием уровней Ферми для обоих полупроводников (рис. 336, в). В области р-п-перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок. Высота потенциального барьера определяется первоначальной разностью положений уровня Ферми в обоих

Рис. 337

полупроводниках. Все энергетические уровни акцепторного полупроводника подняты относительно уровней донорного полупроводника на высоту, равную , причем подъем происходит на толщине двойного слоя d.

Толщина d слоя р-п-перехода в полупроводниках составляет примерно 10^-6 — 10^{-7 м, а контактная разность потенциалов — десятые доли вольт. Носители тока способны преодолеть такую разность потенциалов лишь при температуре в несколько тысяч градусов, т. е. при обычных температурах равновесный контактный слой является запирающим(характеризуется повышенным сопротивлением).}

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое поле направлено от n-полупроводника к р-полупроводнику (рис. 337, а), т. е. совпадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике от границы р-п-перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет. Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называется запирающим (обратным). В этом направлении электрический ток через р-п-переход практически не проходит. Ток в запирающем слое в запирающем направлении образуется лишь за счет неосновных носителей тока (электронов в р-полупроводнике и дырок в n-полупроводнике).

Если приложенное к р-п-переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (рис. 337, б), то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике к границе р-п-перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются. Следовательно, в этом направлении электрический ток проходит сквозь р-п-переход в направлении от р-полупроводника к п-полупроводнику; оно называется пропускным (прямым).

Таким образом, p-n-переход (подобно контакту металла с полупроводником) обладает односторонней (вентильной) проводимостью.

На рис. 338 представлена вольт-амперная характеристика р-n-перехода. Как уже указывалось, при пропускном (прямом) напряжении внешнее электрическое поле способствует движению основных носителей тока к границе р-п-перехода (см. рис. 337, б). В результате толщина контактного слоя уменьшается. Соответственно уменьшается и сопротивление перехода (тем сильнее, чем больше напряжение), а сила тока становится большой (правая ветвь на рис. 338). Это направление тока называется прямым.

При запирающем (обратном) напряжении внешнее электрическое поле препятствует движению основных носителей тока к границе р-n-перехода (см. рис. 337, а) и способствует движению неосновных носителей тока, концентрация которых в полупроводниках невелика. Это приводит к увеличению толщины контактного слоя, обедненного основными носителями тока. Соответственно увеличивается и сопротивление перехода. Поэтому в данном случае через p-n-переход протекает только небольшой ток (он называется обратным), полностью обусловленный неосновными носителями тока (левая ветвь рис. 338).

Рис. 338

Быстрое возрастание этого тока означает пробой контактного слоя и его разрушение. При включении в цепь переменного тока р-n-переходы действуют как выпрямители.

§ 250. Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы)

Односторонняя проводимость контактов двух полупроводников (или металла с полупроводником) используется для выпрямления и преобразования переменных токов. Если имеется один электронно-дырочный переход, то его действие аналогично действию двухэлектродной лампы — диода (см.§ 105). Поэтому полупроводниковое устройство, содержащее один р-n-переход, называется полупроводниковым (кристаллическим) диодом. Полупроводниковые диоды по конструкции делятся на точечныеи плоскостные.

Рис. 339 Рис. 340

В качестве примера рассмотрим точечный германиевый диод (рис.339), в котором тонкая вольфрамовая проволока 1 прижимается к n-германию 2 острием, покрытым алюминием. Если через диод в прямом направлении пропустить кратковременный импульс тока, то при этом резко повышается диффузия А1 в Ge и образуется слой германия, обогащенный алюминием и обладающий р-проводимостью. На границе этого слоя образуется р-n-переход, обладающий высоким коэффициентом выпрямления. Благодаря малой емкости контактного слоя точечные диоды применяются в качестве детекторов (выпрямителей) высокочастотных колебаний вплоть до сантиметрового диапазона длин волн.

Принципиальная схема плоскостного меднозакисного (купроксного) выпрямителя дана на рис. 340. На медную пластину с помощью химической обработки наращивается слой закиси меди Сu₂О, который покрывается слоем серебра. Серебряный электрод служит только для включения выпрямителя в цепь. Часть слоя Сu₂О, прилегающая к Сu и обогащенная ею, обладает электронной проводимостью, а часть слоя Сu₂О, прилегающая к Ag и обогащенная (в процессе изготовления выпрямителя) кислородом,— дырочной проводимостью. Таким образом, в толще закиси меди образуется запирающий слой с пропускным направлением тока от Сu₂О к Сu ( ).

Технология изготовления германиевого плоскостного диода описана в § 249 (см. рис.325). Распространенными являются также селеновые диоды и диоды на основе арсенида галлия и карбида кремния. Рассмотренные диоды обладают целым рядом преимуществ по сравнению с электронными лампами (малые габаритные размеры, высокие к. п. д. и срок службы, постоянная готовность к работе и т. д.), но они очень чувствительны к температуре, поэтому интервал их рабочих температур ограничен (от –70 до +120°С). р-n-Переходы обладают не только прекрасными выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы также для усиления, а если в схему ввести обратную связь, то и для генерирования электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей, получили название полупроводниковых триодов или транзисторов (первый транзистор создан в 1949 г. американскими физиками Д. Бардином, У. Браттейном и У. Шокли; Нобелевская премия 1956 г.).

Для изготовления транзисторов используются германий и кремний, так как они характеризуются большой механической прочностью, химической устойчивостью и большей, чем в других полупроводниках, подвижностью носителей тока. Полупроводниковые триоды делятся на точечные и плоскостные. Первые значительно усиливают напряжение, но их выходные мощности малы из-за опасности перегрева (например, верхний предел рабочей температуры точечного германиевого триода лежит в пределах 50 — 80°С). Плоскостные триоды являются более мощными. Они могут быть типа р-п-р и типа п-р-п в зависимости от чередования областей с различной проводимостью.

Рис. 341

Для примера рассмотрим принцип работы плоскостного триода р-п-р, т. е. триода на основе n-полупроводника (рис. 341). Рабочие «электроды» триода, которыми являются база (средняя часть транзистора), эмиттер и коллектор (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости), включаются в схему с помощью невыпрямляющих контактов — металлических проводников. Между эмиттером и базой прикладывается постоянное смещающее напряжение в прямом направлении, а между базой и коллектором — постоянное смещающее напряжение в обратном направлении. Усиливаемое переменное напряжение подается на входное сопротивление , а усиленное — снимается с выходного сопротивления

Протекание тока в цепи эмиттера обусловлено в основном движением дырок (они являются основными носителями тока) и сопровождается их «впрыскиванием» — инжекцией — в область базы. Проникшие в базу дырки диффундируют по направлению к коллектору, причем при небольшой толщине базы значительная часть инжектированных дырок достигает коллектора. Здесь дырки захватываются полем, действующим внутри перехода (притягиваются к отрицательно заряженному коллектору), и изменяют ток коллектора. Следовательно, всякое изменение тока в цепи эмиттера вызывает изменение тока в цепи коллектора.

Прикладывая между эмиттером и базой переменное напряжение, получим в цепи коллектора переменный ток, а на выходном сопротивлении — переменное напряжение. Величина усиления зависит от свойств p-n-переходов, нагрузочных сопротивлений и напряжения батареи Б_к. Обычно >> , поэтому значительно превышает входное напряжение (усиление может достигать 10 000). Так как мощность переменного тока, выделяемая в , может быть больше, чем расходуемая в цепи эмиттера, то транзистор дает и усиление мощности. Эта усиленная мощность появляется за счет источника тока, включенного в цепь коллектора.

Из рассмотренного следует, что транзистор, подобно электронной лампе, дает усиление и напряжения и мощности. Если в лампе анодный ток управляется напряжением на сетке, то в транзисторе ток коллектора, соответствующий анодному току лампы, управляется напряжением на базе.

Принцип работы транзистора п-р-п-типа аналогичен рассмотренному выше, но роль дырок играют электроны. Существуют и другие типы транзисторов, так же как и другие схемы их включения. Благодаря своим преимуществам перед электронными лампами (малые габаритные размеры, высокие к. п. д. и срок службы, отсутствие накаливаемого катода и поэтому потребление меньшей мощности, отсутствие необходимости в вакууме и т. д.), транзистор совершил революцию в области электронных средств связи и обеспечил создание быстродействующих ЭВМ с большим объемом памяти.

Контрольные вопросы

• В чем суть адиабатического приближения и приближения самосогласованного поля?
• Чем отличаются энергетические состояния электронов в изолированном атоме и кристалле? Что такое запрещенные и разрешенные энергетические зоны?
• Чем различаются по зонной теории полупроводники и диэлектрики? металлы и диэлектрики?
• Когда по зонной теории твердое тело является проводником электрического тока?
• Как объяснить увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры?
• Чем обусловлена проводимость собственных полупроводников?
• Почему уровень Ферми в собственном полупроводнике расположен в середине запрещенной зоны? Доказать это положение.
• Каков механизм электронной примесной проводимости полупроводников? дырочной примесной проводимости?
• Почему при достаточно высоких температурах в примесных полупроводниках преобладает собственная проводимость?
• Каков механизм собственной фотопроводимости? примесной фотопроводимости? Что такое красная граница фотопроводимости?
• Каковы по зонной теории механизмы возникновения флуоресценции и фосфоресценции?
• В чем причины возникновения контактной разности потенциалов?
• В чем суть термоэлектрических явлений? Как объяснить их возникновение?
• Когда возникает запирающий контактный слой при контакте металла с полупроводником n-типа? с полупроводником р-типа? Объясните механизм его образования.
• Как объяснить одностороннюю проводимость р-п-перехода?
• Какова вольт-амперная характеристика p-n-перехода? Объясните возникновение прямого и обратного тока.
• Какое направление в полупроводниковом диоде является пропускным для тока?
• Почему через полупроводниковый диод проходит ток (хотя и слабый) даже при запирающем напряжении?

Задачи

31.1. Германиевый образец нагревают от 0 до 17°С. Принимая ширину запрещенной зоны кремния 0,72 эВ, определить, во сколько раз возрастет его удельная проводимость. [В 2,45 раза]

31.2. В чистый кремний введена небольшая примесь бора. Пользуясь Периодической системой Д. И. Менделеева, определить и объяснить тип проводимости примесного кремния.

31.3. Определить длину волны, при которой в примесном полупроводнике еще возбуждается фотопроводимость.