Контактные явления

1.

Контактные явления
В зависимости от конкретной задачи к
контакту различных материалов
предъявляют определенные требования:
1. Омический контакт – должен:
•- обладать малым сопротивлением,
•- не искажать форму сигнала,
•- не создавать в цепи электрических
шумов.
Вольт-амперная характеристика такого
контакта линейная.

2.

Вольт амперная характеристика омического
контакта

3.

Контактные явления
2. Нелинейный контакт осуществляет
нелинейное преобразование сигнала:
•- выпрямление,
•-модуляцию,
•- умножение частоты,
•- формирование сигнала и др.
Такие контакты имеют нелинейную
характеристику со специальными
требованиями в каждом конкретном
случае.

4.

Контактные явления
Простой механический контакт
двух материалов не используют.
Методы получение контактов
•метод вытягивания из расплавов с
переменным составом,
•методы диффузии примесей,
•эпитаксиальной наращивание,
•вакуумное напыление,
•ионного внедрения.

5.

Методы получения контакта
Эпитаксиальное наращивание - процесс
роста слоев, кристаллическая решетка
которых определенным образом
ориентирована относительно исходного
кристалла – подложки.
Очень эффективен метод получения p – n
перехода путем легирования
полупроводника необходимой примесью с
помощью ионного пучка – метод ионного
внедрения.

6.

p – n переход
•Основным элементом полупроводниковых
приборов является электронно-дырочный
переход.
•Такой переход представляет собой область
между двумя полупроводниками разного
типа проводимости.
•Поверхность по которой контактирует p -слой
и n -слой называется металлургической
границей.
•В зависимости от характера распределения
концентрации примеси в переходы бывают
ступенчатыми (резкими) и плавными.

7.

p – n переход
Ступенчатый переход – идеальная граница,
т.е. с одной стороны доноры с
концентрацией Nn, а с другой акцепторы с
концентрацией Np.
Плавный переход – в районе
металлургической границы концентрация
одного типа примеси уменьшается, а
другого – растет.
Металлургическая граница в этом случае
соответствует состоянию Nn = Np, т.е.
полупроводник на границе является
компенсированным.

8.

p – n переход
В зависимости от соотношения
концентраций примеси в полупроводниках
p – n переходы можно разделить:
1. симметричные Nn = Np
2. несимметричные Nn ≠ Np
3. односторонние Nn >> Np (p – n+) или
Nn << Np (p+ – n )
+ указывает на слой с высокой
концентрацией примеси.

9.

Примесные полупроводники

10.

p – n переход
• Равновесным называют такое состояние
перехода, когда отсутствует внешнее
напряжение.
• В р -области имеются два вида основных
носителей заряда: неподвижные отрицательно
заряженные ионы атомов акцепторной примеси
и свободные положительно заряженные дырки;
• а в n -области имеются также два вида основных
носителей заряда: неподвижные положительно
заряженные ионы атомов донорной примеси и
свободные отрицательно заряженные
электроны.

11.

p – n переход

12.

p – n переход

13.

p – n переход
•Под действием диффузии электроны
из n -области переходят в p-область и
рекомбинируют там с дырками.
Дырки из р -области переходят в n область и рекомбинируют там с
электронами.
•В результате такого движения
концентрация свободных носителей
заряда в приграничной области
убывает почти до нуля.

14.

p – n переход
•В тоже время, в p -области образуется
отрицательный пространственный заряд
ионов акцепторной примеси, а в n -области
положительный пространственный заряд
ионов донорной примеси.
•В приграничной области возникает
электрическое поле, которое препятствует
диффузии свободных носителей заряда из
глубины р- и n- областей через р-n- переход.
Область, обеднённая свободными
носителями заряда со своим электрическим
полем и называется р-n- переходом.

15.

p – n переход
Собственное электрическое поле является
тормозящим для основных носителей заряда и
ускоряющим для неосновных.
Электроны p-области и дырки n-области
полупроводника, совершая тепловое движение,
попадают в пределы диффузионного
электрического поля, увлекаются им и
перебрасываются в противоположные области,
образуя дрейфовый ток.
Выведение неосновных носителей заряда через
электронно-дырочный переход называется
экстракцией носителей заряда.
Концентрация неосновных носителей заряда в
приконтактных областях уменьшается.

16.

p – n переход
В равновесном состоянии (без внешнего напряжения)
через р-n -переход движутся два встречных потока
зарядов (протекают два тока). Это дрейфовый ток
неосновных носителей заряда и диффузионный ток
основных носителей заряда.
Так как внешнее напряжение отсутствует, и тока во
внешней цепи нет, то дрейфовый ток и диффузионный
ток взаимно уравновешиваются и результирующий ток
равен нулю:
Iдиф + Iдр = 0 , где
Iдиф- за счет градиента концентрации основных
носителей заряда,
Iдр - за счет электрического поля объемного заряда

17.

p – n переход
Ширина p-n-перехода – это приграничная
область, обеднённая носителями заряда, которая
располагается в p - и n -областях.
Толщина электронно-дырочных переходов имеет
порядок (0,1 - 10) мкм.
Ширина p-n перехода зависит от концентрации
примесей:
dn /dp =Np/Nn
Увеличение концентрации атомов примеси
сужает запирающий слой, а уменьшение
расширяет его.

18.

p – n переход при прямом
напряжении

19.

Прямое включение p-n -перехода.
• Р-n- переход считается смещённым в прямом
направлении, если положительный полюс
источника питания подсоединен к р -области, а
отрицательный к n -области
• При прямом смещении, внешнее и внутреннее
поле направлены навстречу, результирующее
напряжение на p-n -переходе убывает и
возобновляется процесс диффузии основных
носителей заряда.
• Прямое включение уменьшает ширину p-n перехода. Ток диффузии - ток основных носителей
заряда, становится много больше дрейфового.
Через p-n -переход протекает прямой ток.

20.

Прямое включение p-n -перехода.
•При протекании прямого тока
основные носители заряда р -области
переходят в n -область, где становятся
неосновными.
•Диффузионный процесс введения
основных носителей заряда в область,
где они становятся неосновными,
называется инжекцией, а прямой ток
– диффузионным током или током
инжекции.

21.

Инжекция носителей заряда

22.

23.

Вольт-амперная характеристика p – n
перехода

24.

Вольт-амперная характеристика
p – n перехода

25.

Гетеропереход
Гетеропереходом называется контакт двух
различных по химическому составу
полупроводников с разной шириной
запрещенной зоны, имеющих близкие по
значению параметры кристаллических решеток.
Изотипные - образован двумя
полупроводниками одного типа проводимости.
Анизотипные гетеропереходы - образуются
полупроводниками с разным типом
проводимости.

26.

Контакт металл-полупроводник
Электроны проводимости взаимодействуют с
ионами кристаллической решетки и удерживаются
в твердом теле за счет электростатических сил.
Для преодоления этих сил и выхода за пределы
твердого тела электрону необходимо совершить
некоторую работу, т.е. иметь запас
дополнительной энергии.
Работа выхода – минимальная энергия, которую
необходимо сообщить электрону для его
«выхода» из объёма твердого тела в вакуум.
Причем скорость электрона в вакууме (вне
твердого тела) равна нулю.

27.

Работа выхода
Величина работы выхода
зависит от:
•Химического состава
•От свойств кристаллической
решетки
•Чистоты поверхности

28.

Работа выхода металлов

29.

Контакт металл-полупроводник
При контакте металла с полупроводником
возникает контактная разность потенциалов,
определяемая разностью работ выхода
электронов из этих материалов.
WΣ = Wм – Wп/п
φ = WΣ /q
В зависимости от соотношения работ выхода и
типа электропроводности полупроводника
возможны четыре варианта:

30.

Контакт металл-полупроводник
1. Пусть работа выхода из металла больше, чем
работа выхода их полупроводника с
электронной проводимостью
WМ > WП/П n
из-за разности работ выхода, электроны из
полупроводника устремятся в металл.

31.

Контакт металл-полупроводник
В результате, на поверхности металла
образуется отрицательный заряд, который
будет препятствовать дальнейшему переходу
электронов из полупроводника в металл.
В равновесном состоянии диффузионный ток
электронов из полупроводника в металл,
образовавшийся за счет разности работ
выхода будет равен дрейфовому потоку
электронов их металла в полупроводник,
возникающий за счет разности потенциалов на
контакте.

32.

Контакт металл-полупроводник
Приконтактный слой полупроводника
обедняется основными носителями
заряда, в нем остаются
нескомпенсированные положительные
ионы донорной примеси. Этот слой
обладает повышенным сопротивлением и
называется запирающим.
Возникает выпрямляющий контакт

33.

Барьер Шоттки

34.

Контакт металл-полупроводник
2. Пусть работа выхода из металла меньше, чем работа
выхода их полупроводника с электронной
проводимостью
WМ < WП/П n

35.

Контакт металл-полупроводник
Электроны из металла будут переходить в
полупроводник, обогащая приконтактный
слой основными носителями заряда и
создавая слой повышенной
проводимости, который называется
обогащенным.
Возникает омический контакт с малым
сопротивлением.

36.

Контакт металл-полупроводник
3. При контакте металла с p-
полупроводником, работа выхода из
металла больше, чем работа выхода их
полупроводника
WМ > WП/П p

37.

Контакт металл-полупроводник
В момент контакта часть электронов из
полупроводника перейдет в металл и в
приконтактной области полупроводника
образуется обогащенный слой (основные
носители заряда дырки), с малым
сопротивлением.
Возникает омический контакт.

38.

Контакт металл-полупроводник
4. Если при контакте металла с акцепторным
полупроводником работа выхода из металла
меньше, чем работа выхода из
полупроводника
WМ < WП/П p

39.

Контакт металл-полупроводник
В приконтактном слое образуется
запирающий слой, т.к. часть основных
носителей заряда – дырок
рекомбинируют с электронами из
металла и сопротивление возрастет.
Возникает выпрямляющий контакт

40.

Контакт металл-полупроводник

41.

Контакт металл-полупроводник
При большой разности работ выхода
электронов из металла и полупроводника в
приконтактном слое может произойти смена
типа проводимости. Т.е. в полупроводнике nтипа может возникнуть дырочная
проводимость за счет того, что при обеднении
приконтактного слоя основными носителями
заряда – электронами их концентрация
становится меньше, чем концентрация
неосновных носителей заряда – дырок.
Такой слой называется инверсным.

42.

Контакт металл-полупроводник
Инверсный слой может образоваться и в
дырочном полупроводнике, если работа
выхода электрона из металла существенно
меньше, чем работа выхода из
полупроводника p – типа.

43.

Контакт металл-полупроводник
• При приложении к системе металл-п/п
внешнего электрического поля с
полярностью, противоположной полярности
контактной разности потенциалов,
потенциальный барьер снизится , т.е.
сопротивление уменьшится и будет таким же,
как во всем объёме п\п.
• Ток через контакт будет значительным
(прямое включение).

44.

Контакт металл-полупроводник
Если внешнее поле совпадает по направлению с
полярностью приконтактной разности
потенциалов, то высота потенциального барьера
увеличится, т.е. увеличится ширина обедненного
слоя и сопротивление контакта. Такое внешнее
напряжение называется запирающим.

45.

Вольтамперные характеристики
контакт металл-полупроводник

46.

Вольтамперные характеристики контакт
металл-полупроводник

47.

48.

Эффект поля
Эффектом поля называется изменение
концентрации носителей заряда в
приповерхностном слое полупроводника
под действием электрического поля,
направленного перпендикулярно к
поверхности.
Слой с повышенной концентрацией
основных носителей называют
обогащенным, а слой с пониженной
концентрацией – обедненным.

49.

Эффект поля
• Между металлом и полупроводником, разделенными
диэлектриком, задано напряжение U. Протекание тока в
системе МДП невозможно.
• Такая система равновесна и представляет собой
конденсатор, у которого одна из обкладок
полупроводник. На этой обкладке будет наведен такой
же заряд, как и на металлической. Но в отличии от
металла, заряд в полупроводнике не находится на
поверхности, а распространяется на некоторое
расстояние в глубь кристалла.

50.

Эффект поля
• Электрическое поле распределяется между
диэлектриком и полупроводником.
• Знак заряда у поверхности полупроводника
зависит от полярности приложенного напряжения.
Если к металлу приложен «-», наведенный заряд
будет положительный.
• В дырочном полупроводнике положительный
заряд обусловлен дырками, которые притянулись к
поверхности. Происходит обогащение основными
носителями заряда поверхностного слоя п/п.
• В электронном полупроводнике – ионами доноров,
от которых оттолкнулись электроны,
компенсировавшие их заряд. Происходит
обеднение основными носителями заряда
поверхностного слоя п/п .

51.

Эффект поля
При положительной полярности
напряжения, на металлической обкладке:
• в электронном полупроводнике
происходит обогащение
приповерхностного слоя электронами основными носителями заряд.
• в дырочном – обеднение дырками и
обнажение отрицательных акцепторных
ионов.

52.

Эффект поля
Протяженность подвижных зарядов в
обогащенном слое называется длиной
Дебая.
•Протяженность неподвижных ионных
зарядов – глубиной обедненного слоя.
•Обогащенные и обедненные слои
оказываются тем тоньше, чем больше
концентрация примеси, т.е. концентрация
основных носителей заряда.
•Тонкие слои свойственны низкоомным
полупроводникам, а толстые –
высокоомным.

53.

Эффект поля
При высоком значении внешнего
напряжения, приложенного к системе МДП,
основные носители продолжают
отталкиваться (обедненный слой
расширяется).
Одновременно к поверхности притягиваются
неосновные носители заряда.
Когда количество неосновных носителей
заряда превысит количество оставшихся
основных, изменится тип проводимости
приповерхностного слоя, такой слой
называется инверсионным слоем.

54.

Эффект поля