Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход (p-n-переход) находится на границе меж 2-мя областями полупроводника, одна из которых имеет электрическую (n), а другая – дырочную (p) электронные проводимости, другими словами соответственно n- либо p-области. Но его нельзя сделать обычным соприкосновением полупроводниковых пластинок n- либо p-типов, потому что при всем этом неизбежен промежный слой Электронно-дырочный переход воздуха, оксидов либо поверхностных загрязнений. Переход создается в кристалле полупроводника при помощи технологических процессов (к примеру, сплавления, диффузии), в итоге которых граница раздела меж областями p- и n-типов находится снутри полупроводникового монокристалла.

Различают симметричные и несимметричные p-n-переходы. В симметричных переходах концентрация электронов в полупроводнике n-типа Электронно-дырочный переход nn и концентрация дырок в полупроводнике p-типа pp равны, другими словами nn = pn. Другими словами, концентрации главных носителей зарядов по обе стороны симметричного p-n-перехода, равны. На практике употребляются, обычно, несимметричные переходы, в каких концентрация, к примеру, электронов в полупроводнике n-типа больше концентрации дырок в полупроводнике Электронно-дырочный переход p-типа, другими словами nn > pp, при всем этом различие в концентрациях может составлять 100 - 1000 раз. Низкоомная область, очень легированная примесями (к примеру, n-область в случае nn > pp), именуется эмиттером; высокоомная, слаболегированная (p-область в случае перехода nn > pp), - базой. Для варианта, когда концентрации электронов в полупроводнике n-типа больше Электронно-дырочный переход концентрации электронов в полупроводнике n-типа, другими словами pp > nn, эмиттером будет p-область, а базой ‑ n-область.

Зависимо от нрава примесей, обеспечивающих требуемый тип электропроводности в областях, различают два типа переходов: резкий (ступенчатый) и плавный (линейный). В резком переходе концентрация примесей на границе раздела областей поменяется на Электронно-дырочный переход расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной, в плавном – на расстоянии, существенно большем диффузионной длины. Наилучшим выпрямительными (вентильными) качествами владеют резкие p-n-переходы. Резкий p-n-переход появляется при сплавлении, плавный – выходит способом диффузии либо способом выкармливания из расплава.

Зависимо от площади p-n-переходы делятся на точечные и плоскостные. Плоскостные переходы зависимо Электронно-дырочный переход от способа их производства бывают сплавными, диффузионными, эпитаксиальными и т.п.

Точечныеp-n-переходы образуются точечно-контактным методом. К примеру, к пластинке германия, напаянной при помощи олова на кристаллодержатель, подводят и придавливают заостренную иглу из бериллиевой бронзы (рис. 1.1). Поперечник острия порядка 20 – 50 мкм. В месте соприкосновения иглы с полупроводником появляется Электронно-дырочный переход выпрямляющий переход. Для улучшения его параметров через контакт иглы с германием пропускают массивные недлинные импульсы тока, при всем этом конец иглы сплавляется с полупроводником, обеспечивая стабильность и механическую крепкость контакта. Сразу при завышенной температуре медь диффундирует вовнутрь германия, образуя под контактной иглой полусферическую область p-типа, потому что медь в Электронно-дырочный переход германии является акцепторной примесью. Для роста концентрации акцепторной примеси в p-области часто на конец иглы перед прижатием наносят индий либо алюминий.

Таким макаром, p-n-переход появляется в итоге диффузии примеси из иглы и появления под иглой p-области в германии n-типа. Точечные диоды имеют очень Электронно-дырочный переход небольшую емкость, потому что площадь p-n-перехода маленькая, потому их употребляют приемущественно при изготовлении диодов высочайшей и сверхвысокой частоты.

Рис. 1.1. Структура точечного p-n-перехода

Плоскостных p-n-переходы, у каких линейные размеры перехода, определяющие его площадь, существенно больше толщины, получают способами сплавления, диффузии, эпитаксии, ионной имплантации Электронно-дырочный переход.

Сплавные переходы получают вплавлением примеси в монокристалл полупроводника. К примеру, маленькая пилюля алюминия помещается на поверхность пластинки кремния п-типа, имеющего ориентацию . Потом пластинку с пилюлей нагревают до температуры несколько ниже температуры плавления алюминия, но достаточной для образования эвтектики Al – Si (примерно 580 oС), в итоге чего появляется маленькая область расплава Al Электронно-дырочный переход – Si. При остывании на границе расплава кристаллизуется узкий слой кремния, очень легированный алюминием, т.е. слой с проводимостью p-типа (р+) на кристалле n-типа (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Схема производства сплавного перехода

Высшая часть дюралевой пилюли употребляется в качестве омического контакта к области p-типа. На оборотную поверхность кристалла напыляют Электронно-дырочный переход сплав золото-сурьма, содержащий около 0,1 % сурьмы, и вплавляют его при температуре около 400 °С для сотворения невыпрямляющего омического контакта с кремнием n-типа.

Сплавные p-n-переходы получаются несимметричными, т.е. рр >> nn, потому у такового диодика дырочная составляющая тока диффузии существенно больше электрической составляющей:

. (1.1)

Сплавные резкие переходы имеют существенно Электронно-дырочный переход огромную площадь, чем точечные, соответственно их емкость много больше.

При изготовлении плоскостного диффузионного перехода используют разные способы, в базе каждого из их – диффузия примесного вещества (донорного либо акцепторного) в начальную полупроводниковую пластинку p-или n-типа (соответственно) при огромных температурах (более 1000 oС). При всем этом концентрация введенной в поверхностный слой Электронно-дырочный переход примеси миниатюризируется с глубиной, потому p-n-переход выходит плавным. Глубина диффузии примеси в кристалле находится в зависимости от температуры и времени проведения диффузии, потому ее просто держать под контролем.

С целью получения наименьшего разброса характеристик при изготовлении диодов в едином технологическом цикле способом дополнительного травления уменьшают площадь диффузионной области Электронно-дырочный переход, т. е. делают так именуемый меза-переход (в переводе с испанского выступ, столик) (рис. 1.3, а).


Рис. 1.3. Главные диффузионные способы производства

p-n-переходов: а - диффузионный меза-переход;

б - диффузионный планарный переход;

в - диффузионный планарный переход

на эпитаксиальной подложке

Планарные переходы получили свое заглавие поэтому, что p-n-переходы диодных структур Электронно-дырочный переход (также это относится и к транзисторным структурам) и контакты ко всем областям размещены на одной плоскости полупроводникового кристалла. Схематично последовательность операций при получении планарных переходов показана на рис. 1.3, б. Нагревая пластинку кремния в потоке кислорода, получают на ее поверхности слой диоксида кремния нужной толщины (обычно в границах 0,5 – 1,2 мкм).

Потом способом Электронно-дырочный переход фотолитографии селективно убирают оксидный слой и в свободные от SiO2 «окна» проводят диффузию примеси (к примеру, атомов бора), получают p-n-переход. Применяя вновь способ фотолитографии, травлением убирают SiO2 с участков кремния n- и p-типов для сотворения омических контактов к этим областям способом напыления алюминия.

Эпитаксиальные структуры Электронно-дырочный переход обычно употребляется в планарной технологии для уменьшения поочередного сопротивления. На поверхности очень легированного низкоомного кремния выращивается слабо легированный высокоомный эпитаксиальный слой. И дальше разработка получения диффузионного перехода (рис. 1.3, в) подобна предшествующему способу.

Способом эпитаксии можно получить плоскостный переход конкретно без использования процесса диффузии. На полупроводниковую пластинку кремния p-типа увеличивают кристаллический Электронно-дырочный переход слой, именуемый эпитаксиальным с донорной примесью, в итоге чего получают резкий p-n-переход. Наращивание эпитаксиального слоя проводится из паровой фазы на поверхность монокристаллического полупроводника, при всем этом кристаллографическая решетка эпитаксиальной пленки продолжает ориентацию решетки начальной пластинки – подложки.

На рис. 1.4 условно показан кристалл, одна часть объема которого имеет дырочную электропроводность Электронно-дырочный переход, а другая – электрическую. До установления термодинамического равновесия меж p- и n-областями и в отсутствии наружного электронного поля в таком переходе протекают последующие физические процессы.

Рис. 1.4. Безупречный плоскостной p-n-переход: а - отдельные p- и n-полупроводники; б - схематическое изображение

безупречного плоскостного p-n-перехода; в - рассредотачивание плотности больших Электронно-дырочный переход зарядов; г - рассредотачивание потенциала; д- рассредотачивание электронов проводимости и дырок;

+, – - ионы; «+», «–» - дырки и электроны

Так как концентрация дырок в p-области еще выше их концентрации в n-области, то дырки из p-области диффундируют в n-область. Но, как дырки попадают в n-область, они начинают рекомбинировать с электронами, основными Электронно-дырочный переход носителями зарядов в n-области и их концентрация по мере углубления стремительно убывает. Аналогично электроны из n-области диффундируют в p-область. Если б дырки и электроны являлись нейтральными частичками, то их обоюдная диффузия привела бы к полному выравниванию концентрации дырок и электронов по всему объему кристалла, p Электронно-дырочный переход-n-переход, как такой, отсутствовал бы.

Встречная диффузия подвижных носителей заряда приводит к возникновению в n-области нескомпенсированных положительных зарядов ионов донорной примеси, а в p-области – отрицательных зарядов ионов акцепторной примеси, связанной с кристаллической решеткой полупроводника (рис. 1.4, б).

Рассредотачивание большой плотности обозначенных зарядов ρоб показано на рис. 1.4, в. Таким макаром Электронно-дырочный переход, на границе областей образуются два слоя зарядов, равных по величине, но обратных по знаку. Образовавшаяся область пространственных зарядов (ОПЗ) и представляет собой p-n-переход. Его ширина обычно равна dp-n = 10-3 - 10-4 мм. Большие (пространственные) заряды в переходе образуют электронное поле, направленное от положительно заряженных доноров к негативно заряженным акцепторам Электронно-дырочный переход, другими словами от n-области к p-области. Меж p- и n-областями устанавливается разность потенциалов UK, зависящая от материала и уровня легирования. К примеру, UK для германиевых p-n-переходов составляет (0,3 - 0,4) В, а для кремниевых (0,7 - 0,8) В.

Потому что электронное поле недвижных зарядов p-n-перехода при Электронно-дырочный переход термодинамическом сбалансированном состоянии препятствует диффузии главных носителей заряда в соседнюю область, то считают, что меж p- и n-областями устанавливается возможный барьер, φо, рассредотачивание потенциала которого повдоль структуры p-n-перехода показано на рис. 1.4, г.

Главные носители заряда при встречной диффузии рекомбинируют в приконтактных областях p-n-перехода, что приводит к образованию Электронно-дырочный переход в этом месте обедненного подвижными носителями заряда слоя, который обладает малой удельной проводимостью (как беспримесный либо свой полупроводник) и потому именуется обедненным либо запирающим слоем х3 (рис. 1.4, д).

Пусть источник наружного напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику р-типа (рис. 1.5, а). Такое напряжение, у которого полярность совпадает Электронно-дырочный переход с полярностью главных носителей, именуется прямым.

Рис.1.5. Электронно-дырочный переход

при прямом напряжении

Действие прямого напряжения ипр, вызывающее прямой ток iпр через переход, поясняется возможной диаграммой на рис. 1.5, б. (На этом и последующих рисунках возможная диаграмма изображена упрощенно. Для рассмотрения р-п-перехода процессы в других частях цепи не представляют энтузиазма. Потому на диаграммах не Электронно-дырочный переход показано изменение потенциала повдоль п- и р-областей, т. е. их сопротивление принято равным нулю. Не показано также изменение потенциала в контактах областей п и р с электродами, к которым присоединены провода от источника напряжения.)

Электронное поле, создаваемое в р-п-переходе прямым напряжением, действует навстречу Электронно-дырочный переход полю контактной разности потенциалов. Это показано на рисунке векторами Ек и Епр. Результирующее поле становится слабее, и разность потенциалов в переходе миниатюризируется, т. е. высота потенциального барьера снижается, растет диффузионный ток, потому что большее число носителей может преодолеть пониженный барьер. Ток дрейфа при всем этом практически не меняется, потому что он Электронно-дырочный переход зависит приемущественно от числа неосновных носителей, попадающих за счет собственных термических скоростей на р-п-переход из п- и р-областей. Если пренебречь падением напряжения на сопротивлении областей п и р, то напряжение на переходе можно считать равным ик - ипр. Для сопоставления на рис. 1.5, б штриховой линией Электронно-дырочный переход приведена возможная диаграмма при отсутствии наружного напряжения.

Как понятно, в данном случае токи iдиф и iдр равны и компенсируют друг дружку. При прямом напряжении iдиф > iдр и потому полный ток через переход, т. е. прямой ток, уже не равен нулю:

iпр = iдиф - iдр > 0 (1.2)

Если барьер существенно понижен, то iдиф >> iдри Электронно-дырочный переход можно считать, что iпр @ iдиф, т.е. прямой ток в переходе является чисто диффузионным.

Введение носителей заряда через пониженный под действием прямого напряжения возможный барьер в область, где эти носители являются неосновными, именуется инжекцией носителей заряда. Слово «инжекция» значит «введение, впрыскивание». Применение термина «инжекция» нужно для того, чтоб отличать данное Электронно-дырочный переход явление от электрической эмиссии, в итоге которой получаются свободные электроны в вакууме либо разреженном газе. Область полупроводникового прибора, из которой инжектируются носители, именуется эмиттерной областьюлибо эмиттером. А область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда, именуется базисной областьюлибо базой. Таким макаром, если рассматривать инжекцию электронов, то п-область является Электронно-дырочный переход эмиттером, а р-область - базой. Для инжекции дырок, напротив, эмиттером служит р-область, а базой - п-область.

Обычно концентрация примесей, а как следует, и главных носителей в п- и р-областях очень различна. Потому инжекция электронов из области с более высочайшей концентрацией главных носителей преобладает. Соответственно этому области и именуют «эмиттер Электронно-дырочный переход» и «база». К примеру, если пп >> рр,то инжекция электронов из п-области в р-область существенно превосходит инжекцию дырок в оборотном направлении. В этом случае эмиттером считают п-область, а базой - р-область, потому что инжекцией дырок можно пренебречь.

При прямом напряжении не только лишь снижается Электронно-дырочный переход возможный барьер, но также миниатюризируется толщина запирающего слоя (dnp < d) и его сопротивление в прямом направлении становится малым (единицы — 10-ки Ом).

Так как высота барьера ик при отсутствии наружного напряжения составляет несколько 10-х толикой вольта, то для значимого снижения барьера и существенного уменьшения сопротивления запирающего слоя довольно подвести к Электронно-дырочный переход р-п-переходу такое же прямое напряжение (десятые толики вольта). Потому большой прямой ток можно получить при очень маленьком прямом напряжении.

Разумеется, что при неком прямом напряжении можно вообщем убить возможный барьер в р-п-переходе. Тогда сопротивление перехода, т. е. запирающего слоя, станет близким к нулю и им Электронно-дырочный переход можно будет пренебречь. Прямой ток в данном случае вырастет и будет зависеть только от сопротивления п- и р-области. Сейчас уже этими сопротивлениями третировать нельзя, потому что конкретно они остаются в цепи и определяют силу тока. Поясним это числовым примером. Пусть в неком диодике при прямом напряжении, близком к Электронно-дырочный переход нулю, сопротивление запирающего слоя равно 200 Ом, а сопротивление п- и р-областей — по 5 Ом. Ясно, что в данном случае полное сопротивление диодика составляет 200 + 2 × 5 = 210 Ом, т. е. приблизительно равно сопротивлению самого р-п-перехода (200 Ом). А если при неком прямом напряжении барьер исчезает и сопротивление перехода становится 0,5 Ом, то Электронно-дырочный переход полное сопротивление, равное сейчас 0,5 + 2×5 = 10,5 Ом, можно приближенно считать состоящим только из 2-ух сопротивлений по 5 Ом, т. е. допустимо пренебречь сопротивлением перехода.

Разглядим еще нрав прямого тока в различных частях цепи (рис. 1.5, а). Электроны из п-области движутся через переход в р-область, а навстречу им из р-области в Электронно-дырочный переход п-область передвигаются дырки, т. е. через переход протекают два тока: электрический и дырочный. Во наружных проводниках, естественно, движутся только электроны. Они передвигаются в направлении от минуса источника к п-области и компенсируют убыль электронов, диффундирующих через переход в р-область. А из р-области электроны уходят по направлению Электронно-дырочный переход к плюсу источника, тогда и в этой области образуются новые дырки. Таковой процесс происходит безпрерывно, и, как следует, безпрерывно протекает прямой ток.

У левого края п-области электрический ток имеет наибольшее значение. По мере приближения к переходу этот ток миниатюризируется, потому что все большее число электронов рекомбинирует с дырками, передвигающимися через переход Электронно-дырочный переход навстречу электронам, а дырочный ток iР, напротив, возрастает. Полный прямой ток iпр в любом сечении, естественно, один и тот же:

iпр = in + iр = const. (1.3)

Это следует из основного закона поочередной электронной цепи: во всех частях таковой цепи ток всегда схож.

Потому что толщина перехода очень мала Электронно-дырочный переход, и он обеднен носителями, то в нем рекомбинирует не достаточно носителей и ток тут не меняется. А дальше электроны, инжектированные в р-область, рекомбинируют с дырками. Потому по мере удаления от перехода на право в р-области ток in продолжает уменьшаться, а ток ip возрастает. У правого края р Электронно-дырочный переход-области ток in меньший, а ток ip больший. На рис. 1.6 показано изменение этих токов повдоль оси х для варианта, когда ток in преобладает над током ip, вследствие того что пп > рп и подвижность электронов больше подвижности дырок. Естественно, при прямом напряжении не считая диффузионного тока еще есть ток дрейфа, вызванный Электронно-дырочный переход движением неосновных носителей. Но если он очень мал, то его можно не принимать во внимание.

Рис. 1.6. Рассредотачивание электрического и дырочного тока в р-п-переходе

Пусть источник наружного напряжения подключен положительным полюсом к области п, а отрицательным — к области р (рис. 1.7, а). Под действием такового оборотного напряжения иобр через переход протекает Электронно-дырочный переход очень маленькой оборотный ток io6p, что разъясняется последующим образом. Поле, создаваемое оборотным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов. На рис. 1.7, а это демонстрируют схожие направления векторов Ек и Еобр. Результирующее поле усиливается, и высота потенциального барьера сейчас равна ик + иобр (рис. 1.7, б). Уже при маленьком повышении барьера диффузионное Электронно-дырочный переход перемещение главных носителей через переход прекращается, т.е. iдиф= 0, т. к. собственные скорости носителей недостаточны для преодоления барьера. А ток проводимости остается практически постоянным, так как он определяется приемущественно числом неосновных носителей, попадающих на р-п-переход из п- и р-областей.

Рис. 1.7. Электронно-дырочный переход

при оборотном напряжении

Выведение неосновных Электронно-дырочный переход носителей через р-п-переход ускоряющим электронным полем, сделанным оборотным напряжением, именуют экстракцией носителей заряда(слово «экстракция» значит «выдергивание, извлечение»).

Таким макаром, оборотный ток io6p представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей. Оборотный ток выходит очень маленьким, потому что неосновных носителей не достаточно и, не считая того, сопротивление Электронно-дырочный переход запирающего слоя при оборотном напряжении очень велико. Вправду, при повышении оборотного напряжения поле в месте перехода становится посильнее и под действием этого поля больше главных носителей «выталкивается» из пограничных слоев в глубь п- и р-областей. Потому с повышением оборотного напряжения возрастает не только лишь высота потенциального барьера, да Электронно-дырочный переход и толщина запирающего слоя (do6p > d). Этот слой еще посильнее обедняется носителями, и его сопротивление существенно увеличивается, т. е. Rобр >> Rnp.

Уже при сравнимо маленьком оборотном напряжении оборотный ток становится фактически неизменным. Это разъясняется тем, что число неосновных носителей ограничено. С увеличением температуры концентрация их увеличивается, и оборотный ток Электронно-дырочный переход возрастает, а оборотное сопротивление миниатюризируется.

Разглядим подробнее, как устанавливается оборотный ток при включении оборотного напряжения. Поначалу появляется переходный процесс, связанный с движением главных носителей. Электроны в n-области движутся по направлению к положительному полюсу источника, т. е. удаляются от p-n-перехода. А в р-области, удаляясь от p Электронно-дырочный переход-n-перехода, движутся дырки. У отрицательного электрода они рекомбинируют с электронами, которые приходят из проводника, соединяющего этот электрод с отрицательным полюсом источника.

Так как из n-области уходят электроны, она заряжается положительно, потому что в ней остаются положительно заряженные атомы донорной примеси. Подобно этому р-область заряжается негативно, потому Электронно-дырочный переход что ее дырки заполняются приходящими электронами и в ней остаются негативно заряженные атомы акцепторной примеси.

Рассмотренное движение главных носителей в обратные стороны длится только малый просвет времени. Таковой краткосрочный ток подобен зарядному току конденсатора. По обе стороны p-n-перехода появляются два разноименных больших заряда, и вся Электронно-дырочный переход система становится аналогичной заряженному конденсатору с диэлектриком, в каком имеется значимый ток утечки (его роль играет оборотный ток). Но ток утечки конденсатора в согласовании с законом Ома пропорционален приложенному напряжению, а оборотный ток p-n-перехода сравнимо не много находится в зависимости от напряжения.


elektrosnabzhenie-gazovih-promislov-referat.html
elektrosnabzhenie-mehanicheskogo-ceha-referat.html
elektrosnabzhenie-netyagovih-potrebitelej.html