Физика полупроводниковых структур - Основы микроэлектроники

В полупроводниках существует два основных механизма переноса носителей заряда:

    1) Диффузия - направленное перемещение носителей заряда в кристалле в сторону уменьшения их концентрации. 2) Дрейф - упорядоченное движение носителей заряда под действием внешнего электрического поля.

Контакт полупроводник-полупроводник

P+-n несмещенный переход

Поскольку концентрация дырок в p+-области выше чем концентрация электронов в n-области то возникает процесс диффузии из p - в n-область (ток диффузии). Одновременно начинается диффузия электронов из n - в p-область. В результате у границы p - и n - областей образуется двойной электрический слой пространственного заряда. Поле этого двойного слоя создает потенциальный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии дырок в n-область и электронов в p-область. Для перехода электронов в p-область и дырок в n-область им необходимо преодолеть разность потенциалов (запрещенную зону). Таким образом на границе полупроводников с различным типом проводимости образуется p-n-переход.

Если приложить к p-n-переходу прямое напряжение то в нем создается электрическое поле противоположное полю, результирующее поле ослабляется, потенциальный барьер снижается, в p-область попадают дополнительные электроны, а в n-область - дырки, этот процесс называется инжекцией зарядов. При подаче обратного напряжения в p-n-переходе создается поле совпадающее по направлению с собственным, следовательно результирующее поле усиливается, потенциальный барьер увеличивается, движение зарядов сводится к минимуму.

Контакт металл-полупроводник.

Может быть омический или выпрямляющий.

Работой выхода электронов из твердого тела называют энергию необходимую для вылета за пределы кристалла (цМ - работа выхода электронов из металла, цS - работа выхода электронов из полупроводника).

Омический контакт.

Омическим контактом называется физический контакт металла с полупроводником электрическое сопротивление которого мало и не зависит от направления тока в заданном диапазоне значений токов.

Металл-p-полупроводник

Металл-n-полупроводник

ЦМ> цS, цМs>0

В этом случае часть электронов из p-полупроводника перейдет в металл, следовательно в близи границы контакта накапливаются ОНЗ, образуется обогащенный слой.

ЦМ< цS, цМs<0

В этом случае часть электронов из металла перейдет в n-полупроводник, следовательно в близи границы контакта накапливаются ОНЗ, образуется обогащенный слой.

Наличие обогащенного слоя в обоих случаях означает что сопротивление системы в целом определяется нейтральным слоем полупроводника и не зависит ни от величины ни от полярности приложенного напряжения. Такой контакт называют омическим.

Выпрямляющий контакт.

Металл-p-полупроводник

Металл-n-полупроводник

ЦМ< цS, цМs<0

В этом случае часть электронов из металла перейдет в p-полупроводник, следовательно, в приконтактном слое начнется рекомбинация, уменьшится количество ОНЗ и образуется обедненный слой.

ЦМ>цS, цМs>0

В этом случае часть электронов из n-полупроводника перейдет в металл, в приконтактном слое уменьшится количество ОНЗ, образуется обедненный слой.

В обедненном слое концентрация ОНЗ меньше равновесной (в дали от контакта), следовательно, приконтактный слой обладает повышенным удельным сопротивлением и определяет сопротивление системы в целом. Потенциальный барьер в приконтактном слое называется барьером Шоттке. Такие контакты обладают выпрямительными свойствами и могут быть основой для создания диоидов. В основном для металлизации полупроводников в ИМС используют алюминий. На границе алюминия с n-кремнием будет возникать барьер Шоттке, для предотвращения этого контакты вжигают.

Контакт диэлектрик-полупроводник.

В качестве диэлектрика в основном используется диоксид кремния SiO2. Слои диоксида кремния всегда содержат примеси донорного типа, которые при контакте с кремнием сосредотачиваются вблизи граници. Поэтому пленки диоксида кремния на границе с кремнием образуют тонкий слой положительно заряженных донорых атомов, а отданные им электроны переходят в слой кремния.

Биполярные транзисторы (БТ). Принцип работы.

БТ представляют собой два встречно включенных p-n-перехода. Взаимодействие обеспечивается при расстоянии соединения меньшем диффузионной длины НЗ.

Вид смещения

P

N

Прямое

+

-

Обратное

-

+

Виды смещения на переходах для различных режимов работы БТ:

Нормальный активный режим

Инверсный режим

Режим насыщения

Режим отсечки

Эмиттерный переход (ЭП)

Прямое

Обратное

Прямое

Обратное

Коллекторный переход (КП)

Обратное

Прямое

Прямое

Обратное

При нормальном включении транзистора (ЭП прямосмещенный, КП обратносмещенный) потенциальный барьер ЭП уменьшается, а КП увеличивается. Электроны инжектирующие из эмиттера в базу, проходят ее почти без рекомбинации и попадают в коллектор находящийся под положительным потенциалом, таким образом коллектор собирает поступившие в базу ННЗ.

Сопротивление обратносмещенного КП очень велико - несколько Мом, поэтому можно включать весьма большие сопротивления нагрузки не изменяя ток коллектора. Следовательно в цепи нагрузки может выделяться значительная мощность: P = I2R.

Сопротивление прямосмещенного ЭП наоборот очень мало (при IЭ = 1 мА, RЭ = 25 Ом) поэтому при почти одинаковых токах мощность потребляемая в цепи эмиттера намного меньше чем мощность выделяемая в цепи нагрузки, следовательно, транзистор усиливает мощность (является усилительным прибором).

.

, , .

, .

Схемы включения:

С общей базой

С общим эмиттером

С общим коллектором

Похожие статьи




Физика полупроводниковых структур - Основы микроэлектроники

Предыдущая | Следующая