Электронно-дырочный переход. 
Электроника и схемотехника

Общие сведения об электрических переходах.

Электрическим переходом называют нриконтактный слой на границе двух сред (тел) с разными электрофизическими свойствами. В полупроводниковых приборах (сюда же относятся микросхемы) электрическими переходами служат неоднородные по электрофизическим свойствам монокристаллы, содержащие области (или слои) собственно полупроводника, полупроводника с донорными и акцепторными примесями, а также области между полупроводниками с разными типами электропроводности и с различной степенью легирования, области между полупроводником и металлом, полупроводником и диэлектриком.

Работа любого полупроводникового прибора основывается на процессах, происходящих в электрических переходах.

Переходы между двумя областями полупроводника одного и того же типа электропроводности, но с различными значениями удельной электрической проводимости называют изотипными переходами. Различают изотипные электронно-электронные (п-п+) и дырочно-дырочные (р-р+) переходы, где знаком «+» отмечена область с более высокой удельной электропроводимостью, полученной за счет большей концентрации примесей. В зависимости от используемых в электрических переходах материалов их разделяют:

• • на гомогенные, или гомопереходы, созданные в одном полупроводниковом материале, например только в кремнии (Si);
• • гетерогенные, или гетеропереходы, созданные на границе различных полупроводниковых материалов: германий — кремний, кремний — арсенид галлия и т. д.

Особую роль в создании полупроводниковых приборов играют переходы между двумя областями полупроводника с разными типами электропроводности, одна из которых имеет электронную, а другая дырочную проводимость. Такие переходы называют электронно-дырочными переходами, или р-п-переходами. Неотъемлемой частью полупроводникового прибора являются переходы металл — полупроводник, используемые в качестве выводов.

Электронно-дырочные переходы классифицируют по степени изменения концентрации в приграничной области перехода и по соотношению удельных сопротивлений слоев.

По степени изменения концентрации различают:

• • ступенчатые р-п-переходы, в которых по одну сторону перехода находятся доноры с постоянной концентрацией ЛГ_Д, но другую — акцепторы с постоянной концентрацией JV_a. Для изготовления ступенчатых переходов используют технологию сплавления. На поверхности пластинки, например, полупроводника «-типа укрепляют небольшую таблетку элемента III группы и помешают в печь, где происходит ее нагрев до температуры ниже точки плавления полупроводника, но выше точки плавления примеси. В результате этого происходит вплавление в определенную область кристалла акцепторной примеси и формирование р-и-перехода. Изготовленные по этой технологии переходы часто называют сплавными р-«-переходами;
• • плавные р-и-переходы, у которых в приграничной области осуществляется плавное изменение концентрации от N_a до JV_a, а на самой границе N_a = N_a. Для изготовления плавных р-«-переходов используют метод диффузии. При этом полупроводниковую пластинку с защитным оксидным слоем предварительно обрабатывают, создавая окна заданной конфигурации на ее поверхности, а затем через них проводят диффузию примесей.

По соотношению концентраций примесей в ри «-слоях переходы разделяются:

• • на симметричные р-«-переходы, для которых концентрация примесей удовлетворяет условиям N_an ~ N_ap,
• • несимметричные р-«-переходы, для которых N_V1 ^ N . В отдельную группу выделяют односторонние р-«-переходы, для которых N_an «N_ap или N,_w N , т. е. концентрации примесей различаются на 1—2 порядка. Их обозначают символами «⁺-р или р⁺-«.

Равновесное состояние р-и-перехода. Рассмотрим некоторый объем монокристаллического полупроводника (рис. 2.6), разделенный осью Оу на две области: «-область, в которой преобладают донорные примеси, и p-область с преобладанием акцепторных примесей. Предположим, что концентрация доноров значительно больше концентрации акцепторов (N_A «N_a). При температуре порядка 300 К и выше атомы доноров и акцепторов можно считать полностью ионизированными, поэтому вдали от границы раздела концентрацию электронов в «-области примем равной концентрации доноров («» = N_:i), а концентрацию дырок вр-области — концентрации акцепторов (р_р = JV_a). Обозначим р_п и п_р — концентрацию равновесных дырок и электронов в «- и p-областях соответственно. Так как электроны и дырки являются свободными подвижными носителями зарядов, их концентрация па стыке областей не может изменяться скачком, как это имеет место для жестко связанных с кристаллической решеткой полупроводника атомов доноров (NJ и акцепторов (JV_a). Концентрации электронов и дырок плавно из;

Рис. 2.6. Распределение примесей и свободных зарядов при N > N.

меняются от значения п_п до п_р и от р_р до р_п соответственно. На рис. 2.6 приведены в логарифмическом масштабе кривые распределения электронов и дырок вдоль оси Ох, построенные с учетом условия п_пр_п = р_рп_р = п?, где ?ij — концентрация носителей зарядов собственного полупроводника. Следует отметить, что кривые распределения симметричны относительно уровня n_t. Кроме того, при.

" JV_a сечение, в котором становятся равными концентрации электронов и дырок, оказывается смещенным в р-область с более низкой концентрации примесей. В результате этого в p-области, заключенной между сечениями Оу и О’у' за счет обогащения электронами и обеднения дырками тип проводимости изменится, т. е. образуется инверсный слой. Таким образом, сечение Оу (металлургическая граница), в котором изменяется тип примесей, в случае несимметричного перехода не совпадает с сечением О’у' (физическая граница), в котором выравнивается концентрация электронов и дырок. Поэтому различают металлургический и физический переходы. В дальнейшем для простоты будем полагать, что физический переход совпадает с металлургическим.