Контакт (переход) металл-полупроводник. Диоды Шоттки

Если образцы металла и полупроводника привести в соприкосновение, то возникнет некоторое движение зарядов, длящееся до тех пор, пока не установится равновесие. Такие контакты могут быть как омическими, так и выпрямляющими.

Структура и свойства контактов металл-полупроводник зависят в основном от соотношения работ выхода электронов обоих материалов. Учитывая возможность контактов полупроводников n- и p- типов с металлом можно рассмотреть 4-е варианта переходов:

1. Металл-полупроводник n- типа.

При этом работа выхода электронов из металла (А_м) меньше работы выхода электронов из полупроводника n-типа(А_n), т.е.: А_м < А_n

В этом случае преимущественным будет переход электронов из металла в полупроводник. Вследствие этого приконтактный слой полупроводника n-типа будет обогащаться электронами (n+), а его сопротивление будет понижаться, причем низкое сопротивление приконтактной области будет сохраняться при любой полярности. Контакт будет омическим (невыпрямляющим).

2. Металл-полупроводник p-типа.

При этом: A_p < A_м.

В этом случае неосновные носители полупроводника p – типа, электроны, будут переходить в металл, в результате чего приконтактный слой полупроводника p – типа окажется обогащённым дырками (p⁺) и его сопротивление будет понижаться и сохраняться низким при любой полярности.

Контакт будет омическим (невыпрямлющим).

3. Металл-полупроводник n-типа.

При этом: А_м > А_n

В этом случае поток электронов из полупроводника n-типа в металл будет преобладающим. В результате металл начнет заряжаться отрицательно, пока уровни Ферми не выровняются. Уход электронов из приконтактной области полупроводника n-типа обеднит эту область и обнажит положительные ионы доноров. Возникнет односторонний потенциальный барьер (контактная разность потенциалов). Контакт будет выпрямляющим.

Впервые это явление было обнаружено в 1930г. Немецким физиком В. Шоттки. Выпрямляющий контакт металл-полупроводник n-типа называют переходом Шоттки.

4. Металл-полупроводник р-типа.

А_м < А_p

В этом случае будет осуществляться переход электронов в полупроводник p-типа. В приконтактной области полупроводника p-типа возникнет избыточный заряд электронов, которые начнут рекомбинировать с дырками, создавая в приконтактной области ионы акцепторов. Эта область окажется обедненной основными носителями. Возникнет потенциальный барьер, который обеспечит вентильные свойства перехода. Контакт будет выпрямляющим.

На основе переходов 3 и 4 (A_n < A_м; A_м < A_p) созданы полупроводниковые приборы, которые называются диодами Шоттки.

Важнейшей особенностью диодов Шоттки является возможность работы на очень высоких частотах, что обусловлено отсутствием инжекции неосновных носителей заряда и, следовательно, отсутствием времени рассасывания (С_диф=0).

Другой важной особенностью является значительно меньшее прямое напряжение по сравнению с p-n переходом, что позволяет работать со значительно большими прямыми токами и обеспечивать выпрямление малых напряжений.

Сравнительные ВАХ перехода Шоттки и p-n перехода.

Обратные токи в диодах Шоттки малы (доли ÷ десятки нА).

Диоды Шоттки эффективно использовать как импульсный диод и применять в выпрямителях больших токов.

Учитывая тот факт, что начальный участок прямой ВАХ представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, диоды Шоттки применяют в высокоточных логарифмирующих устройствах.

Основные параметры диодов Шоттки аналогичны импульсным диодам.

УГО -

Эквивалентная схема:

r_пер. – сопротивление перехода металл-полупроводник;

С_пер. – барьерная ёмкость перехода;

r_Б′ - омическое сопротивление тела базы и эмиттера;

С_выв. – ёмкость выводов.

Переходы p-i, n-i, p⁺-p, n⁺-n типов. PIN диоды.

Кроме p-n и переходов металл-полупроводник, встречаются и другие типы переходов.

При контакте примесного полупроводника (p- или n- типов) с собственным полупроводником (i-типа) могут образоваться p-i или n-i переходы, при этом соответственно. Из-за разности концентраций носителей заряда возникнет диффузия носителей, что приведет к появлению разности потенциалов:

- в переходе p-i-типа – между отрицательно заряженными ионами акцепторов в полупроводнике p-типа и положительно заряженными ионами в полупроводнике i-типа;

- в переходе n-i-типа – между положительно заряженными ионами доноров в полупроводнике n-типа и отрицательно заряженными ионами в полупроводнике i-типа.

Однако эта разность потенциалов значительно меньше, чем в p-n переходе, и слой, обеднённый носителями заряда, простирается большей частью в область собственного (i-) полупроводника.

d=d_p + d_i d=d_n + d_i

P_p > P_i; d_i > d_p N_n > N_i; d_i > d_n

При создании p-i-n диода между p- и n- областями располагается достаточно высокоомный слой собственного полупроводника (i-типа).

p-i-n диод.

В p-i-n диодах n- и p- области отделены друг от друга i-слоем, снижена напряженность электрического поля в i-слое, что позволяет повысить значение обратного напряжения, при котором начинается пробой.

В связи с пониженным потенциальным барьером на границе n-i и p-i, при прямом напряжении электроны и дырки проникают глубоко в i-слой, где происходит их взаимная рекомендация и практически исключается возможность образования пространственного заряда. Это позволяет повысить быстродействие таких диодов. Кроме того, пониженный потенциальный барьер позволяет увеличить допустимый прямой ток.

p-i-n диоды в режиме переключения могут работать на высоких частотах ( до 40ГГц), с большим обратным напряжением и обеспечивать переключение большой мощности (до мегаватт).

Создание структур p⁺-p-n и n⁺-n-p (где p⁺ и n⁺ - означает повышенную концентрацию легирующих примесей: акцепторной и донорной, соответственно), позволяет получить диоды с малым прямым напряжением, малым обратным током, большим напряжением пробоя, малым значением ёмкости p-n перехода.

Транзисторы.

В зависимости от принципа действия и конструктивных признаков транзисторы подразделяются на два больших класса:

· биполярные

· полевые (или униполярные, или канальные)

Термин «биполярный» указывает на то, что работа данного прибора основана на движении носителей зарядов обоих знаков (электронов и дырок).

Термин «полевой» указывает на то, что процессы в этом приборе происходят под действием управляющего поля и основаны на движении носителей заряда только одного знака (электронов или дырок)

Биполярные транзисторы.

Полупроводниковые приборы, содержащие два взаимодействующих

p-n перехода, образованных тремя слоями полупроводников, с чередующимся типом электропроводимости, обладающих усилительными свойствами и имеющих три вывода, называются биполярными транзисторами.

В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы p-n-p и n-p-n типов.

транзистор p – n – p –типа транзистор n – p – n –типа

(или прямой проводимости) (или обратной проводимости)

Схема транзисторов, как совокупность диодов, не отражает всех свойств транзисторов.

Э – эмиттер – область транзистора, предназначенная для инжекции («впрыскивания») неосновных носителей заряда в базовую область;

Б – база – область транзистора, предназначенная для переноса (транспортировки) инжектированных носителей к коллектору вследствие диффузии или дрейфа;

К – коллектор – область транзистора, предназначенная для экстракции («вытягивания») неосновных носителей из базы за счет поля коллекторного перехода.

Структура сплавного транзистора.

S_Э – площадь эмиттера;

S_К – площадь коллектора; S_К> S_Э

Эмиттер (Э) и коллектор (К) выполняются низкоомными, а база (Б) относительно высокоомной, поэтому удельные объемные сопротивления эмиттера (ρ_Э), коллектора (ρ_К) малы, а базы (ρ_Б) – велико (до сотен Ом)

Но при этом: ρ_Э<ρ_К, а ρ_Б>>ρ_Э.

ω – толщина базы (типичное значение ω≈0,5мкм÷1,0мкм).

Кроме того ω<<L (диффузионная длина) – база тонкая.

Концентрация примесей (степень легирования) в базе значительно меньше, чем в эмиттере и коллекторе.

В зависимости от технологии изготовления транзисторов концентрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно.

При равномерном распределении внутреннее поле в базе отсутствует, в результате неосновные носители в ней движутся за счет диффузии. Такие транзисторы называются диффузионными или бездрейфовыми.

При неравномерном распределении – в базе имеестя внутреннее электрическое поле, в результате неосновные носители движутся в ней как за счет дрейфа, так и диффузии, однако, дрейфовое движение превалирует. Такие транзисторы называют дрейфовыми.

В зависимости от выполняемой функции в электронных устройствах транзистор может работать в трех режимах:

- активный режим;

- режим отсечки;

- режим насыщения.

Каждый из режимов определяется соотношением полярностей напряжений, подаваемых на электроды транзистора.

Активный режим характеризуется прямым напряжением на переходе база-эмиттер (БЭ) и обратным напряжением на переходе коллектор-база (КБ).

Режим отсечки – обратное напряжение на переходе БЭ и обратное напряжение на переходе КБ.

Режим насыщения – прямое напряжение на переходе БЭ и прямое напряжение на переходе КБ.

Активный режим наиболее распространен и используется для усиления аналоговых сигналов.

Режимы отсечки и насыщения наиболее часто используются для усиления дискретных сигналов и при реализации ключевых устройств, в т.ч. в устройствах, выполняющих логические функции.

В любых схемах с транзисторами, как правило, образуются две цепи: входная и выходная, которым соответствуют условные обозначения для токов, напряжений и мощностей:

I_вх ; U_вх ; P_вх (или I₁ , U₁ , P₁ ) – для входной цепи;

I_вых ; U_вых ; P_вых (или I₂ , U₂ , P₂ ) – для выходной цепи.