"Свойства полупроводниковых приборов, контактные и поверхностные явления в них" - Электроника и схемотехника аналоговых устройств

Для целенаправленного изменения свойств полупроводники легируют, т. е. вводят в небольшом количестве атомы примесей, позволяющие управлять типом электропроводности (электронный, дырочный) и удельной электрической проводимостью. Электропроводность примесного полупроводника называется примесной. Примеси могут весьма существенно влиять на электрические свойства полупроводников. Например, добавление в кремний бора в количестве одного атома на 105 атомов кремния увеличивает проводимость при комнатной температуре в 1000 раз. Удельная электропроводность примесных полупроводников так же, как и для собственных полупроводников, определяется концентрацией носителей заряда в зоне проводимости и их подвижностью. Для донорного полупроводника при низких температурах основным поставщиком электронов в зону проводимости являются донорные уровни примеси. За счет термического возбуждения электроны с донорных уровней примесных атомов переходят в зону проводимости.

?

Ионы атомов акцепторной примеси

Ионы атомов донорной примеси

Большинство полупроводниковых (п/п) приборов изготовляют на основе примесных полупроводников. Таким образом в рабочем диапазоне температур полупроводникового прибора поставщиками основного количества носителей заряда в полупроводниковом материале должны быть примеси. Поэтому в практике важное значение имеют п/п материалы, у которых ощутимая собственная концентрация носителей заряда появляется при возможно более высокой температуре, т. е. полупроводники с достаточно большой шириной запрещенной зоны.

Такую же роль, как и примеси могут играть различные дефекты кристаллической решетки: пустые узлы, дислокации или сдвиги, возникающие при пластической деформации.

Атомы примесей в полупроводниках создают дополнительные энергетические уровни в пределах запрещенной зоны полупроводника.

Примеси могут либо поставлять электроны зону проводимости полупроводника, либо принимать их с уровней его валентной зоны.

Примеси могут быть донорного и акцепторного типа.

Донор (т. е. отдающий электрон) - это примесный атом или дефект кристаллической решетки, создающий в запрещенной зоне вблизи "дна" зоны проводимости энергетический уровень, занятый в невозбужденном состоянии электроном и способный в возбужденном состоянии при тепловом возбуждении отдать электрон в зону проводимости.

Акцептор (т. е. присоединяющий электрон) - это примесный атом или дефект кристаллической решетки, создающий в запрещенной зоне вблизи "потолка" валентной зоны энергетический уровень, свободный от электрона в невозбужденном состоянии и способный захватить электрон из валентной зоны благодаря тепловому возбуждению.

Доноры и акцепторы в полупроводнике могут быть ионизированы под действием энергии, поступающей в кристалл в виде квантов света, теплоты и т. д.

Под энергией ионизации донора понимают минимальную энергию, которую надо сообщить электрону, находящемуся на донорном уровне, чтобы перевести его в зону проводимости. Энергия ионизации акцептора - это минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону валентной зоны, чтобы перевести его на акцепторный уровень.

Рассмотрим как влияет валентность примесных атомов замещения (т. е. когда атомы примеси находятся в узлах кристаллической решетки) на характер их поведения в ковалентных полупроводниках типа кремния или германия.

Предположим, что в кристаллической решетке кремния Si (элемент IV группы) часть основных атомов замещена атомами мышьяка As (элемент V группы). У Si -4 валентных электрона. У As -5 валентных электрона. Встраиваясь в узел решетки, атом As отдает 4 электрона на образование связей с ближайшими соседями (ковалентная связь), а пятый электрон оказывается лишним, т. е. не участвует в создании ковалентных связей.

Из-за большой диэлектрической проницаемости среды (полупроводника) кулоновское притяжение этого лишнего электрона ядром As в значительной мере ослаблено. Поэтому радиус электронной орбиты оказывается большим, охватывает несколько межатомных расстояний. Достаточно небольшого теплового возбуждения, чтобы оторвать избыточный электрон от примесного атома. Атом примеси, потерявший электрон, превращается в положительно заряженную частицу, неподвижно закрепленную в данном месте решетки. Это донорный атом. В отличие от беспримесного полупроводника образование свободного электрона здесь не сопровождается образованием дырки.

Таким образом, примеси замещения, валентность которых превышает валентность основных атомов решетки проявляют свойства доноров (кроме As типичными донорами в кремнии и германии являются фосфор Р и сурьма Sb).

Если в кристаллическую решетку кремния внедрить примеси какого-нибудь трехвалентного элемента, например алюминия, то видим, что для установления химических связей с четырьмя соседними атомами решетки у примесного атома не хватает одного электрона, вследствие чего одна ковалентная связь оказывается ненасыщенной, т. е. имеется свободная дырка. Потребность в установлении четырех химических связей приводит к тому, что атом алюминия может захватить недостающий электрон у одного из соседних атомов кремния. В результате примесный атом (акцептор) превращается в отрицательно заряженный ион. Для совершения такого акта надо затратить энергию, равную энергии ионизации акцепторов. Захваченный электрон локализуется на примесном атоме и не принимает участия в создании электрического тока, т. к. атом-акцептор достроил свою оболочку до устойчивого состояния. В свою очередь атом кремния, потерявший электрон, становится положительно заряженным ионом, вблизи которого имеется свободное энергетическое состояние - дырка. За счет эстафетного перехода электронов от одного атома к другому дырка может перемещаться по кристаллу.

Таким образом, примеси замещения, имеющие валентность меньше валентности основных атомов решетки, в ковалентных полупроводниках являются акцепторами. Помимо алюминия акцепторные свойства в кремнии и германии проявляют бор B, галлий Ga, индий In.

Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике больше, называют основными, а носители, концентрация которых меньше, - не основными. Так, в полупроводнике n-типа электроны - основные носители, дырки - не основные.

В полупроводнике p-типа: дырки - основные, электроны - неосновные.

Если некоторый полупроводник одновременно легирован донорами и акцепторами, то можно получить материал любого типа в зависимости от того, какая из добавок имеет большую концентрацию.

Известны следующие механизмы пробоя полупроводниковых p-n - переходов:

Тепловая нестабильность или тепловой пробой

Туннельный эффект

Лавинный пробой

На практике встречаются и смешанные случаи, т. к. любой из перечисленных механизмов не исключает других.

Тепловая нестабильность вызвана тем, что ток Iнас связан с величиной ni2 и зависит от To К. Выделение теплоты, обусловленное током I и напряжением U, оказывается достаточно большим и приводит к повышению температуры диода. С ростом температуры T ток увеличивается на величину l и напряжение - на величину U; процесс носит лавинообразный характер и может привести к разрушению диода.

При большой концентрации легирующей примеси ширина зоны объемного заряда значительно уменьшается, даже если обратное напряжение мало. Напряженность внутреннего электрического поля в обедненной носителями области оказывается весьма высокой, так что электроны способны преодолевать эту область за счет туннелирования. Туннельный ток электронов резко возрастает при приложении к p-n - переходу небольшого обратного напряжения.

Лавинный пробой является обуславливает верхнюю границу обратного напряжения на диоде и предельно допустимое напряжение на коллекторе транзистора. Лавинный диод должен быть слаболегированным, т. к. здесь требуется, чтобы ширина обедненной носителями области (p-n - переход) была существенно больше. Если электрическое поле, возникающее в обедненной области при U<0, достаточно велико, то электроны и дырки, пересекающие эту область, приобретают энергию, достаточную для того, чтобы выбивать электроны из атомов кристаллической решетки. При этом происходит разрыв ковалентных связей и генерация электронно - дырочных пар; возникающий ток складывается с током диода (образованным неосновными носителями - Iнас). В свою очередь электронно - дырочные пары ускоряются электрическим полем и могут порождать новые пары на протяжении всего пути в данной области.

В отличие от напряжения туннельного пробоя напряжение лавинного пробоя имеет положительный температурный коэффициент, т. е. увеличивается с ростом температуры т. к. возрастает тепловая (хаотичная) скорость подвижных носителей, уменьшается время свободного пробега носителей, что было проверено экспериментально.

Электрические переходы между металлом и полупроводником являются неотъемлемым элементом любого, без исключения, полупроводникового прибора. Они используются для создания токопроводящих электродов - омических переходов, электрическое сопротивление которых мало и в заданном рабочем диапазоне токов практически не зависит от направления тока. Омический переход не должен инжектировать неосновные носители заряда, иметь стабильные электрические и механические свойства. Металл перехода должен обладать высокой электро - и теплопроводностью и температурным коэффициентом расширения (ТКР), близким к ТКР полупроводника. Создание таких переходов представляет сложную конструкторскую задачу. Для кремниевых приборов в качестве металла контактов зачастую используется алюминий, силициды металлов (платины, никеля), эвтектику золото-кремний. В частности, алюминий, являясь акцепторной примесью, дает хорошие омические контакты на р-кремнии. Подавлению инжекции неосновных носителей заряда способствует нарушение поверхности полупроводника (например, шлифовкой), за счет чего образуются дефекты кристаллической решетки, являющиеся эффективными центрами рекомбинации. Подобную роль в кремнии выполняют золото и платина. Свойства контакта металл-полупроводник определяются разностью работ выхода электрона. Работа выхода электрона из твердого тела - это приращение энергии, которое должен получить электрон, находящийся на уровне Ферми, для выхода из этого тела.

Переходы металл - полупроводник, обладающие выпрямляющими свойствами, т. е. имеющие резко несимметричную ВАХ, называются переходами Шоттки, а диоды на их основе - диодами Шоттки.

Для создания диодов Шоттки используется контакт метал-полупроводник. Диоды Шоттки отличаются тем, что их работа основана на переносе основных носителей. При прямом смещении электроны из полупроводника переходят в металл. Их энергия больше энергии электронов в металле. Электроны из полупроводника быстро (примерно за 10 с) теряют на соударениях свою избыточную энергию и не могут возвратиться в полупроводник. В диодах Шоттки не происходит накопления заряда неосновных носителей (обуславливающее снижение быстродействия p-n-перехода), поэтому они особенно перспективны для использования в качестве сверхбыстродействующих импульсных и высокочастотных диодов. Этим объясняется их использование в качестве элементов интегральных схем, а также в качестве дискретных приборов.

Типичное время восстановления обратного сопротивления диода Шоттки на основе, например Au-Si, порядка 10 пс и менее. Маломощные диоды Шоттки изготовляются на основе кремния и арсенида галлия п-типа и предназначаются для преобразования сигнала СВЧ-диапазона (выпрямление, модуляция) и для импульсных устройств. Силовые (мощные) для силовой полупроводниковой электроники изготавливаются на основе кремния п-типа, имеют рабочие токи до нескольких сот ампер, исключительно высокое быстродействие (по сравнению с диодами на основе р-п - переходов), но низкие рабочие напряжения, не превышающие нескольких десятков вольт. Низкие рабочие напряжения диодов Шоттки прежде всего связаны с наличием "краевых" эффектов при лавинном пробое перехода, которые имеют место на периферии металлического контакта. Дело в том, что с увеличением обратного напряжения увеличивается напряженность электрического поля в области пространственного заряда диодов Шоттки. При критических полях 300КВ/см в кремнии начинается ударная ионизация электронно-дырочных пар и их лавинное размножение, приводящее к сильному возрастанию обратного тока перехода. В простейшей конструкции (рис. 1) диодов Шоттки силовые линии электрического поля, замыкающиеся на положительных зарядах ионов доноров, вблизи края металла резко сгущаются, что определяет резкое нарастание краевого поля.

Этот эффект наиболее выражен при слабом легировании полупроводника приводит к краевому лавинному пробою при очень низких напряжениях (несколько вольт). Для ослабления краевого поля и повышения напряжения пробоя было предложено множество конструкций диодов Шоттки, наиболее удачной из которых считается структура с охранным р-п переходом.

Таки образом, при глубине залегания р-п перехода в несколько микрометров удается повысить напряжение пробоя диодов Шоттки до нескольких десятков вольт. Дальнейшее повышение напряжения требует создания широкого и глубокого охранного перехода. Однако при больших прямых токах такой р-п переход сам начинает "работать", инжектируя неосновные носители заряда (дырки) в п-область диода. Это приводит к накоплению большого избыточного заряда дырок, что совместно с дополнительной емкостью охранного р-п перехода ухудшает быстродействие диодов Шоттки.

Похожие статьи




"Свойства полупроводниковых приборов, контактные и поверхностные явления в них" - Электроника и схемотехника аналоговых устройств

Предыдущая | Следующая