Контактные явления. Теория p-n перехода.

Полупроводниковые структуры простейшего вида, рассмотренные в предыдущем разделе (по- существу, пп материалы) обладают ограниченными возможностями с точки зрения создания полноценной элементной базы современной микроэлектроники. Для этого необходимы более сложные пп структуры, включающие контакты различных типов пп. Основной структурой такого типа является p-n переход. Под p-n переходом понимают физический контакт пп р- типа и n- типа. Технологически такой контакт может создаваться различными способами – диффузионным, эпитаксиальным, способом ионного легирования (см. литературу). С физической точки зрения в основе всех таких способов лежит принцип легирования различных областей пп материала (подложки) соответствующими донорными или акцепторными примесными атомами с резкой или плавной границей перехода между этими областями. Как правило, реализуется т. н. резкий p-n переход. Рассмотрим физические процессы в резком p-n переходе для простейшего одномерного случая.

Выделим условно первоначальный момент контакта. В этот момент вследствие разности концентраций основных и неосновных свободных носителей заряда

p_p – p_n, n_n – n_p в соответствующих областях p-n перехода начинается процесс диффузии дырок из p области в n область и электронов из n области в p область (диффузионный ток). Следствием диффузии является обеднение (от слова бедный) приконтактного слоя p-n перехода свободными носителями заряда. Там остаются неподвижные носители – ионы примеси соответствующей полярности (положительные в области n и отрицательные в области p). Эти заряды образуют электрическое поле соответствующего направления, силы которого направлены против диффузионных сил. Таким образом, на свободные носители заряда, учитывая их двойственную физическую природу, действуют противоположно направленные диффузионные силы и силы электрического поля объемного заряда неподвижных ионов соответствующих примесей. При достижении равенства этих сил диффузионные процессы в p-n переходе прекращаются, т. е. наступает т. н. динамическое равновесие – равновесное состояние p-n перехода. Такое равновесное состояние характеризуется контактной разностью потенциалов (потенциальным барьером), непосредственно связанной с напряженностью электрического поля объемного заряда ионов примеси, и определяемой разностью уровней Ферми n и p областей перехода U_к = j _F(n) -j _F(p). Напомним, что уровень Ферми характеризует электрохимическое равновесие пп, поэтому в p-n переходе он является общим для n и p областей при соответствующем смещении энергетических зон каждой из областей. Таким образом, основные физические процессы в p-n переходе происходят в приконтактном (обедненном) слое или слое объемного заряда. Этот слой характеризуется шириной (толщиной), которую можно вычислить на основании решения уравнения Пуассона для электрического поля объемного заряда ионов примесей (см. литературу). Отметим, что в общем случае для нессиметричных p-n переходов, где концентрации основных носителей заряда p_p и n_n существенно различны, обедненный слой находится в основном в высокоомной области перехода, т. е. в области с пониженной концентрацией основных носителей заряда.

Нарушение равновесного состояния p-n перехода происходит при приложении внешнего напряжения (смещения). Различают прямое смещение (+ приложен к области р) и обратное смещение (+ приложен к области n). При прямом смещении направления внешнего (приложенного) и внутреннего (образованного в слоем объемного заряда) электрических полей оказываются противоположными. Поэтому силы суммарного электрического поля оказываются меньше диффузионных сил p-n перехода. Равновесие нарушается, начинаются рассмотренные выше диффузионные процессы или процессы инжекции ( увеличение концентрации неосновных носителей заряда в соответствующих областях прикотактного слоя)) и через переход протекает диффузионный прямой ток. При этом, во-первых, уменьшается контактная разность потенциалов, определяемая теперь суммарным электрическим полем, во-вторых, за счет диффузионных процессов сокращается (в пределе до 0) ширина обедненного слоя. В нессиметричных p-n переходах инжекция носит односторонний характер – неосновные носители инжектируются в основном из низкоомной области, т. е. области с повышенной концентрацией основных носителей заряда. Эта ижектирующая область называется эмиттером (излучатель), противоположная область p-n перехода называется базой.

При обратном смещении направления внешнего и внутреннего электрических полей совпадают. Поэтому силы суммарного электрического поля оказываются больше диффузионных сил p-n перехода. Казалось бы, в этом случае через переход должен протекать дрейфовый ток. Однако, значимый обратный ток в p-n переходе отсутствует. Это объясняется отсутствием значимого количества свободных носителей заряда в приконтактном слое (он поэтому и называется обедненным слоем относительно свободных носителей заряда). Незначительное количество свободных носителей заряда в p-n переходе при обратном смещении будет присутствовать за счет процессов термогенерации. Поэтому в обратно смещенном p-n переходе будет протекать незначительный (доли мкА) обратный дрейфовый ток. При этом, во-первых, увеличивается контактная разность потенциалов, определяемая суммарным электрическим полем, во-вторых, возрастает ширина обедненного слоя за счет процесса экстракции (извлечение), т. е. за счет оттока свободных носителей заряда из приконтактного слоя вследствие увеличения суммарного электрического поля p-n перехода. Следует отметить, что акцент на тип токов при прямом (диффузионный ток) и обратном (дрейфовый ток) смещении сделан не случайно. Как показано ранее, тип тока определяет линейный или нелинейный характер ВАХ.

Математическая форма ВАХ определяется из решений рассмотренных в разделе 2 токовых уравнений:

I = I₀ [exp(u/j_т) – 1], где I₀ – обратный (тепловой) ток; u – внешнее приложенное напряжение с учетом знака (полярности).

Рис. 1

Графическая форма ВАХ p-n перехода представлена на Рис.1. Выделим следующие участки ВАХ: нелинейная (экспоненциальная) прямая ветвь ВАХ, определяемая прямым диффузионным током, относительно линейный участок обратной ветви ВАХ до участка т. н. пробоя, определяемый малым обратным дрейфовым током, участок пробоя, т.е. резкого увеличения обратного тока при определенном (критическом) обратном напряжении U_кр. Различают следующие основные механизмы пробоя: лавинный (обратимый) пробой, определяемый неуправляемым размножением свободных носителей заряда под действием сильного обратного электрического поля; тепловой (необратимый) пробой, сопровождающийся тепловым разрушением p-n перехода (подробнее – см. литературу). Эффекты пробоя не отражаются в представленной математической форме идеальной ВАХ и определяют свойства и параметры реальных p-n переходов, включающие кроме того эффект увеличения обратного тока в основном за счет поверхностных токов утечки и процессов термогенерации и эффект смещения (вправо на Рис.1) прямой ветви ВАХ за счет сопротивления высокоомной области p-n перехода – базы. Одновременно следует отметить влияние типа пп материала, точнее его ширины запрещенной зоны на параметры ВАХ реальных p-n переходов. В частности, для германия обратный ток I₀ имеет порядок10^-6 А, а для кремния – 10^-12 А; соответственно начальный участок прямой ветви ВАХ (т.н. зона малой чувствительности) для германия составляет приблизительно 0,2 В, а для кремния – 0,6 В.

ВАХ p-n перехода характеризуется выпрямляющим эффектом, т. е. свойством пропускать значимый ток только в одном – прямом – направлении. Поэтому на основе p-n переходов создаются различные виды диодных структур или диодов, широко применяемые в микроэлектронной схемотехнике. Рассмотрим электрофизические свойства диодов со схемотехнической точки зрения. При этом разделим параметры прямого и обратного включения диодов (p-n перехода), учитывая их различный физический смысл.

Прямая ветвь ВАХ характеризуется существенной нелинейностью, поэтому ее схемотехнические свойства могут быть представлены дифференциальным сопротивлением (прямое сопротивление диода). Из математической формы ВАХ можно получить

r_d = dU/dI = j_T/(I+I₀)

Особенностью дифференциального сопротивления является его изменение в каждой точке ВАХ. Ориентировочные значения r_d в рабочей области ВАХ диодов (вне зоны малой чувствительности) – единицы и доли Ома, т. е. диоды обладают малым прямым сопротивлением. Дополнительной схемотехнической составляющей диодов (p-n переходов) при прямом включении является диффузионная емкость, образованная инжектированными в базу неосновными носителями заряда. В первом приближении ее можно представить в виде

С_д = It/j_т , где t – время жизни неосновных носителей заряда в базе.

Очевидно, что С_д также меняется в зависимости от рабочей точки ВАХ, т. е. в зависимости от прямого тока I. Ориентировочные значения С_д в рабочей области ВАХ диодов (вне зоны малой чувствительности) – единицы пФ. Таким образом, эквивалентная электрическая схема (основное схемотехническое понятие для элементной базы микроэлектроники, применяемое при схемотехнических расчетах) диода при прямом включении представляет параллельно включенные r_d и С_д.

Обратная ветвь ВАХ является относительно линейной до области пробоя, поэтому ее схемотехнические свойства определяются статическим сопротивлением (обратное сопротивление диода). Оно может быть представлено в форме закона Ома

R₀ = U/I = U/I₀[exp(U/j_т) –1], где U –обратное напряжение диода.

Ориентировочные значения R₀ для германия – сотни кОм, для кремния – единицы и десятки Мом, т. е. диоды обладают значительным обратным сопротивлением. Дополнительной схемотехнической составляющей диодов (p-n переходов) при обратном включении является барьерная емкость, образованная объемным зарядом ионов примеси приконтактной области. В первом приближении ее можно представить в виде

С_Б = (1/L₀) ee₀S(U_k/U)^1/2, где L₀ - ширина области объемного заряда обратно смещенного диода (p-n перехода); e – диэлектрическая проницаемость пп материала; e₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума; S – площадь p-n перехода; U_k – контактная разность потенциалов p-n перехода; U - обратное напряжение диода. Ориентировочные значения С_Б – единицы пФ. Таким образом, эквивалентная электрическая схема диода при обратном включении представляет параллельно включенные R₀, I₀, С_Б.

Рассмотренные эквивалентные схемы диодов и их элементы, во-первых, отражают электрофизические свойства соответствующих p-n переходов, во-вторых, определяют статические, импульсные и частотные свойства диодов в микроэлектронных схемах. Более подробно об этих свойствах – см. литературу.

Дата добавления: 2015-07-25