Лекция №2

1. Лекция №2

Тема: Электронно-дырочные и металлполупроводниковые переходы.

2. План

1. Электронно-дырочный переход при
отсутствии внешнего напряжения.
2. Электронно-дырочный переход при прямом
напряжении.
3. Электронно-дырочный переход при обратном
напряжении.
4. Переход металл-полупроводник

3. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ. Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия (при отсутствии внешнего поля)

Если переход создается между
полупроводниками n-типа и p-типа,
то его называют электроннодырочным или p-n переходом.

4.

Равновесное состояние p-n перехода
p-n переход, в котором концентрации доноров Nд и
акцепторов Na изменяются скачком на границе раздела
Неравномерное распределение концентраций
одноименных носителей зарядов в кристалле приводит к
возникновению диффузии электронов из n-области в pобласть и дырок из p-области в n-область.
Нескомпенсированный заряд отрицательных ионов
акцепторных примесей и положительных донорных ионов
Разность потенциалов Uк между n- и p-областями,
называется контактной.
j ДИФ j ДР 0
Приконтактную область, где имеется
собственное электрическое поле, называют p-n
переходом.

5.

p p0 pn0 exp( U k / Т )
nn0 n р0 exp( U k / Т )
При комнатной температуре (Т = 300 К) т 0,026 В.
Контактная разность потенциалов зависит от отношения концентраций носителей
зарядов одного знака в р- и n-областях полупроводника.
Ширина p-n перехода
= p + n .
n / p NА / N Д
ширина слоев объемных зарядов в n- и p-областях
обратно пропорциональна концентрациям примесей
и в несимметричном переходе запирающий слой
расширяется в область с меньшей концентрацией
примесей
Ширина запирающего слоя p-n перехода
n p
2 ( N А N Д )U k
qN А N Д

6. Прямое включение p-n перехода

Если положительный полюс источника питания подключается к р-области, а
отрицательный полюс к n-области, то включение p-n перехода называют прямым.
При изменении указанной полярности источника питания включение p-n перехода
называют обратным.
Поскольку сопротивление p-n перехода значительно превышает сопротивление
нейтральных p- и n-областей, внешнее напряжение Uпр почти полностью падает на
этом переходе.
Прямое напряжение создает в переходе внешнее электрическое поле, направленное
навстречу собственному.
Ширина запирающего слоя
2 ( N А N Д )
qN А N Д
(U К U ПР )

7. Прямое включение p-n перехода

Дополнительная диффузия носителей
зарядов приводит к тому, что на границе
p-n перехода повышаются концентрации
дырок в области n-типа до некоторого
значения pn и электронов в p-области до
значения n p . Повышение концентраций
неосновных носителей в p- и n-областях
вследствие влияния внешнего
напряжения, приложенного к электроннодырочному переходу, получило название
инжекции неосновных носителей.
Область, из которой происходит
инжекция, называют эмиттером, а
область, в которую осуществляется
инжекция, — базой.
1
1

8.

Обратное включение р-п-перехода
При включении p-n перехода в обратном
направлении
(рис.
1.9)
внешнее
обратное
напряжение Uобр создает электрическое поле,
совпадающее по направлению с собственным, что
приводит к росту потенциального барьера на
величину Uобр и увеличению относительного
смещения энергетических диаграмм на q(Uk + Uобр).
Ширина запирающего слоя
2 ( N А N Д )
(U К U ОБР )
qN А N Д
Через переход будет проходить результирующий
ток, определяемый в основном током дрейфа
неосновных носителей.

9.

Теоретическая вольтамперная характеристика p-n перехода
Вольтамперная характеристика представляет собой график зависимости тока во
внешней цепи p-n перехода от значения и полярности напряжения,
прикладываемого к нему. Эта зависимость может быть получена
экспериментально или рассчитана на основании уравнения вольтамперной
характеристики.
При включении p-n перехода в прямом направлении в результате инжекции
возникает прямой диффузионный ток.
Включение p-n перехода в обратном направлении приводит к обеднению
приконтактной области неосновными носителями и появлению градиента их
концентрации. Градиент концентрации является причиной возникновения
диффузионного тока неосновных носителей.

10.

Теоретическая вольтамперная характеристика p-n перехода
I jп I s (exp(U / Т ) 1)
где IS- ток насыщения. В это уравнение напряжение U подставляется со знаком
"плюс" при включении p-n перехода в прямом направлении и со знаком "минус" при
обратном включении

11.

Реальная вольтамперная характеристика p-n перехода

12.

Упрощенная эквивалентная схема p-n перехода с распределенным
сопротивлением полупроводника.
При прохождении тока IПР на сопротивлении r1 падает часть напряжения
внешнего источника и на запирающем слое действует напряжение
UПЕР = UПР – IПР r1.
I ПP I S (exp((U ПР I ПР r1 ) Т ) 1)

13. 4. Переход металл-полупроводник

В физике твердого тела металл-полупроводник (M–S) переход –
это тип электрического перехода, при котором металл вступает в
тесный контакт с полупроводниковым материалом. Это старейшее
практическое полупроводниковое устройство. M–S-переходы могут
быть как выпрямляющими, так и непрямляющими. Выпрямляющий
переход металл–полупроводник образует барьер Шоттки, благодаря
чему устройство известно как диод Шоттки, в то время как
непрямляющий переход называется омическим
контактом. (Напротив, выпрямляющий полупроводник–
полупроводниковый переход, наиболее распространенное
полупроводниковое устройство на сегодняшний день, известен
как p–n переход.)
Переходы металл–полупроводник имеют решающее значение для
работы всех полупроводниковых устройств. Обычно
требуется омический контакт, чтобы можно было легко проводить
электрический заряд между активной областью транзистора и
внешней схемой. Иногда, однако, барьер Шоттки полезен, как
в диодах Шоттки, транзисторах Шоттки и полевых транзисторах
металл–полупроводник.

14.

В зависимости от типа перехода полупроводниковые
диоды имеют следующие структуры:
а)
p–n-переход и два омических перехода, через
которые соединяются выводы диода;
б) выпрямляющий переход «металл – полупроводник» и
один омический переход.

15.

Является ли данный переход металл-полупроводник омическим
контактом или барьером Шоттки, зависит от высоты барьера Шоттки,
Φ B, перехода. При достаточно большой высоте барьера Шоттки, то
есть, когда Φ B значительно превышает тепловую энергию kT,
полупроводник обедняется вблизи металла и ведет себя как барьер
Шоттки. При более низких высотах барьера Шоттки полупроводник не
разряжается и вместо этого образует омический контакт с металлом.
Высота барьера Шоттки определяется по-разному для полупроводников
n-типа и p-типа (измеряется от края зоны проводимости и валентной
зоны соответственно). Выравнивание полос полупроводника вблизи
перехода обычно не зависит от уровня легирования полупроводника,
поэтому высоты барьеров Шоттки n-типа и p-типа идеально связаны
друг с другом посредством:
где Eg - запрещенная зона полупроводника.
На практике высота барьера Шоттки не является точно постоянной
по всей границе раздела и варьируется в зависимости от
поверхности раздела

16.

Зонная диаграмма для перехода металл-полупроводник
при нулевом смещении (равновесии). Показано
графическое определение высоты барьера Шоттки, ΦB,
для полупроводника n-типа как разницы между
краем ECзоны проводимости и уровнем Ферми EF

17. Литература

1. А.Л. Марченко. Основы электроники. Учебное пособие для
вузов. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 296 с.
2. И.П. Жеребцов. Основы электроники. -Л.: Энергоатомиздат,
1989. - 352 с