Контакт вырожденных полупроводников

Вырожденными полупроводниками называют полупроводники, уровень Ферми в которых находится либо за пределами запрещенной зоны, либо внутри на рас­стоянии, не превышающем 2-3 кТ, что имеет место при концентрации примеси порядка 10¹⁹-10²⁰см^-3. При столь высокой концентрации примеси происходит расщепление примесных уровней и образование примесных зон, которые слива­ются с зоной проводимости в электронном полупроводнике и с валентной зоной в дырочном полупроводнике. При осуществлении контакта вырожденных полу­проводников с различным типом электропроводности возникают такие же про­цессы, что и при осуществлении контакта невырожденных полупроводников, при­водящие к выравниванию уровней Ферми и образованию электронно-дырочного перехода, характеризующегося в соответствии с (1.75) и (1.87) высоким энергетическимбарьером и малой шириной Δ_о, при этом напряженность поля в перехо­де превышает 10⁶ В/см. (рис. 1.65, а). Энергетическая диаграмма контакта вы­рожденных полупроводников отличается от энергетической диаграммы обычного p-n-перехода перекрытием зоны проводимости электронного полупроводника с валентной зоной дырочного полупроводника (E_vp, > E_cn), что приводит к вероят­ности возникновения туннельных переходов.

Туннельные переходы не связаны с преодолением энергетического барьера. Для их осуществления необходимо, чтобы занятым энергетическим уровням в одной зоне противостояли свободные энергетические уровни в другой. Если сделать допущение, что все энергетические уровни, расположенные ниже уровня Ферми, заняты электронами, а уровни, расположенные выше уровня Ферми, свободны, то при отсутствии внешнего напряжения туннельные переходы не происходят. Если к переходу приложить прямое напряжение, то правая часть энергетической диаграммы сместится вниз относительно левой и занятым уровням зоны прово­димости будут противостоять свободные уровни валентной зоны, в результате чего создадутся условия для туннельных переходов из n-области в р-область. По мере увеличения прямого напряжения будет возрастать поток 5 и, соответствен­но, прямой туннельный ток. Так будет продолжаться до тех пор, пока потолок валентной зоны E_vp дырочного полупроводника не совпадет с уровнем Ферми электронного полупроводника (E_vp = E_Fn). При этом поток 5 будет максимальным. Дальнейшее увеличение прямого напряжения будет смещать уровень E_vp ниже уровня E_Fn. При этом ширина области перекрытия зон, в пределах которой проис­ходят туннельные переходы, будет уменьшаться. Поэтому будут уменьшаться по­ток 5 и прямой туннельный ток. Когда уровень Е_vp окажется напротив уровня Е_cn, туннельные переходы прекратятся. Наряду с туннельными переходами в струк­туре существуют обычные переходы через потенциальный барьер. По мере роста прямого напряжения барьер снижается и потоки 1 и 3 возрастают. Прямой ток создается суммой потоков 1, 3 и 5, поэтому в области прямых напряжений вольт-амперная характеристика имеет вид, показанный на рис. 1.65, б. На ней имеются характерные пик и впадина. Чем больше концентрация примесей, тем больше отношение тока пика 1_п к току впадины I_В. Практически это отношение лежит в пределах от 5 до 10. При подаче на р-n-переход обратного напряжения энерге­тический барьер в переходе возрастает, правая часть диаграммы сдвигается вверх относительно левой, и возникают обратные туннельные переходы (поток 6) с энер­гетических уровней валентной зоны на свободные уровни зоны проводимости, что ведет к возрастанию обратного тока.