Вольт амперная характеристика контакта металл полупроводник

Вольт‑амперная характеристика контакта

Наличие потенциального барьера на границе металл – полупроводник приводит к тому, что возможно явление выпрямления переменного тока, а ВАХ для постоянного тока будет несимметричной.

За положительное напряжение U примем такое напряжение, когда металл имеет положительный потенциал относительно полупроводника. Так как в области объемного заряда L (в приконтактной области полупроводника) свободных электронов практически нет, то удельное сопротивление этой области очень велико и все внешнее напряжение будет падать здесь.

При U > 0 все уровни в полупроводнике сдвинутся вверх на величину eU, рис. 2а. Переход электронов из полупроводника в металл облегчится, высота барьера со стороны полупроводника уменьшится, а со стороны металла высота барьера останется той же самой jМ. Результирующий поток электронов направ­лен от полупроводника к металлу и увеличивается с ростом напряжения.

, (11)

где NC – эффективная плотность состояний в зоне проводимости полупро­водника.

При отсутствии внешнего напряжения, как видно из рис. 1, вблизи границы . Поэтому концентрация свободных электронов в полупровод­нике у самой границы (при x = 0):

. (12)

Как видно из рис. 2а и 2б, величина ns не изменяется при приложении внешнего напряжения любой полярности, так как около границы величина F = EC – EП = jМ от напряжения U не зависит. Напряженность электрического поля Es в полупроводнике около границы с металлом (при x = 0)

, (13)

так как здесь поля, создаваемые внешним напряжением U и контактной разностью потенциалов UК складываются.

При U = 0 в состоянии динамического равновесия результирующий ток . Из уравнений (10), (12) и (13) при U = 0 получим:

. (14)

Это уравнение по своему смыслу определяет ток, создаваемый потоком электронов из полупроводника в металл под действием контактного поля . Но при равновесии . Это значит, что из металла в полупроводник те­чёт такой же электронный ток jМ (14), но он имеет диффузионную природу, так как в слое объёмного заряда – концентрация свободных электронов за­висит от координаты.

При подаче напряжения U из тех же уравнений (10), (12) и (13) получим, что диффузионный поток электронов из металла через барьерный слой в полу­проводнике создает ток

. (15)

Видно, что напряжение U увеличивает диффузионный ток (сравните уравне­ния (14) и (15)). Связано это с тем, что напряжение U изменяет вид распределе­ния n(x).

Однако обратный поток электронов из полупроводника в металл j изменя­ется из-за изменения высоты потенциального барьера со стороны полупровод­ника под влиянием напряжения U (рис. 2), . В итоге результи­рующий ток будет равен

, (16)

что по форме совпадает с уравнением (8), но только ток насыщения jS оп­ределяется не уравнением (9), а уравнением (15). Используя (3), получим:

(17)

Эта теория получила название диффузионной теории. ВАХ, даваемая уравнением (16), показана на рис. 3 (кривая 2). Ток «насыщения» jS из (13) теперь зависит от приложенного напряжения, что часто наблюдается эксперимен­тально. В учебниках по физике полупроводников уравнение (17) обычно запи­сывают следующим образом:

, (18)

,

n – концентрация свободных электронов в глубине полупроводника (при x > L).

В заключение отметим, что слой объёмного заряда L получил название за­пирающего слоя, а потенциальный барьер – барьера Шоттки. Напряжение U > 0 называется прямым, а U

Дата добавления: 2015-06-12 ; просмотров: 1509 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Вольтамперная характеристика контакта металл-полупроводник

Если к контакту металл-полупроводник подключить внешний источник питания, минусом к полупроводнику, а плюсом к металлу, то высота потенциального барьера уменьшится и станет равной ψ–qU (рис.2.). Уменьшение высоты барьера приведет к нарушению термодинамического равновесия. В результате электроны полупроводника начинают переходить в металл, создавая при этом ток In. Эти электроны являются основными для металла, а их концентрация ns оказывается много меньше равновесной концентрации электронов в металле nм. Поэтому нейтрализация неравновесного заряда происходит с максвелловским временем релаксации τМ=εε/σ, где σ – проводимость металла. Таким образом, приборы содержащие контакт металл-полупроводник, оказываются более высокочастотными по сравнению с невырожденными p-n-переходами.

Читайте также:  Замена металла на керамику

Электронам находящимся в металле, для того чтобы попасть в зону проводимости полупроводника, необходимо преодолеть потенциальный барьер ΔР=РмРс. Высота этого барьера зависит только от работы выхода из металла Рм и полупроводника Рс и не зависит от степени легированности полупроводника. Поскольку Рм и Рс являются параметрами материала, ток, связанный с переходом электронов из металла в полупроводник, не зависит от внешнего напряжения и является величиной постоянной Iм=const.

Если изменить полярность источника питания на обратную (плюс к полупроводнику, минус к металлу), то высота потенциального барьера увеличится на величину qU (рис.3.). При обратном смещении поток электронов из металла в по-прежнему останется без изменений. С другой стороны, встречный поток из полупроводника в металл уменьшится, поскольку высота барьера для электронов зоны проводимости возрастет и станет равной ψ+qU. поэтому уже при незначительных обратных напряжениях полный обратный ток через контакт будет в основном определяться потоком электронов из металла в полупроводник и, следовательно не будет зависеть от напряжения.

Для полупроводниковых материалов Ge, Si, GaAs плотность термоэлектронного тока, связанная с переносом электронов из металла в полупроводник, так же как в электронной лампе равна

, (2)

где [А/К 2 ] – постоянная Ричардсона, а ΔР=РмРсWFn+ψ – работа выхода из металла в полупроводник. В состоянии термодинамического равновесия, когда внешнее напряжение равно нулю, этот ток уравновешивается потоком электронов , направленных из полупроводника в металл:

где – тепловая скорость электронов, n(0) – концентрация электронов в полупроводнике, на границе полупроводник-металл при U=0.

Приравнивая формулы (2) и (3) получим

(4)

где – эффективная плотность квантовых состояний у дна зоны проводимости.

Сравнивая (4) с (1) легко установить, что , где ns(0) – концентрация электронов на границе полупроводника при U=0, т.е.

,

где n – равновесная концентрация электронов вдали от контакта.

При изменении внешнего смещения U граничная концентрация ns(0) будет изменяться в соответствии с изменением высоты потенциального барьера ψ–qU и, следовательно, будет меняться величина тока из полупроводника в металл

Результирующий электронный ток равен разности

,

где — термический потенциал, а — величина обратная термическому потенциалу.

Полученное выражение совпадает с формулой ВАХ идеального p-n-перехода. Однако выражение для обратного тока насыщения отличается от выражения для обратного тока насыщения идеального p-n-перехода, не только количественно, но и по физическому смыслу. В p-n-переходе обратный ток связан с экстракцией неосновных носителей, а в контакте металл-полупроводник – с инжекцией основных носителей из металла в полупроводник.

Вольтамперная характеристика перехода металл-полупроводник приведена на рис.4. Экспериментальная зависимость I=f(U) хорошо согласуется с теоретической, т.к.:

1) уровень инжекции всегда мал ns(0) 15 ÷10 17 см –3 , а концентрация электронов в металле nм

2) сопротивление потерь при малой толщине базы и высокой степени легированности полупроводника мало и слабо влияет на АЧХ.

Отличие наблюдается только при больших обратных напряжениях, когда происходит электрический пробой перехода.

Источник

ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК

В современных полупроводнико­вых приборах кроме электронно-дырочных переходов применяют так­же контакт между металлом и полу­проводником.

Процессы в таких переходах за­висят от работы выхода электронов, т.е. от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов может выйти из данного тела. В различных металлополупроводниковых переходах может возни­кать как выпрямляющий, так и невы­прямляющий переход.

Невыпрямляющий (омический) переход

Если в контакте металла с полупроводником n-типа (рис. 8) работа выхо­да электронов из металла Ам меньше, чем работа выхода из полупроводника Аn, то будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник.

Читайте также:  Грунт по металлу антикоррозит грунт серая

В слое полупроводника около границы накапливаются основные носители (электроны), и этот слой становится обогащенным, т.е. в нем увеличивается концентрация электронов. Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения.

Такой переход не обладает выпрямляющим свойством. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом.

Рис. 8. Омический переход

Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником p-типа (рис. 8), если работа выхода электронов из полупро­водника меньше, чем работа выхода из металла (Ар Аn, (рис. 9,а). Электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл, и в приграничном слое полупроводника образуется область, обеднен­ная основными носителями и имеющая большое сопротивление. Кроме того, переход электронов приводит к появлению контактной разности потенциалов.

Если к переходу подключить внешнее напряжение, причем «минус» к по­лупроводнику, а «плюс» к металлу, то внешнее электрическое поле компенси­рует внутреннее. Потенциальный барьер уменьшается, а ток основных носите­лей (электронов) из n-области увеличивается — переход открыт. При смене по­лярности («минус» к металлу, «плюс» к полупроводнику) внешнее электрическое поле суммируется с внутренним, потенциальный барьер увеличивается, и переход не пропускает ток — закрыт.

Таким образом, переход между металлом и полупроводником обладает вентильными свойствами. Его называют барьером Шоттки.

Аналогичные процессы имеют место при контакте металла с полупровод­ником p-типа, когда Ам ≈1В) потенциальный барьер исчезает и остается лишь сопротивление р- и n-областей, которое можно приближенно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становится практически линейной при резком нараста­нии тока.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро на­растает. Это вызвано тем, что уже при небольшом увеличении обратного на­пряжения повышается потенциальный барьер и резко уменьшается диффузи­онный ток. Следовательно, полный ток Iпepex.oбр=Iдр-Iдиф, резко увеличивает­ся.

Дальнейшее увеличение обратного напряжения не приводит к росту тока, т.к. его величина определяется числом неосновных носителей, концентрация которых низка. При некотором значении обратного напряжения (Uобр.max, рис. 10) ток начинает резко возрастать. Это возникает при напряженности поля около 10 7 В/м. Неосновные носители при таком поле разгоняются на длине свобод­ного пробега до энергии, достаточной для ионизации атомов. Концентрация носителей лавинно нарастает в толщине перехода.

Процесс лавинного размножения носителей за счет ударной ионизации атомов называется лавинным пробоем (электрическим). К этому следует добавить, что концентрация носителей до­полнительно увеличивается за счет вырывания электронов из атомов сильным электриче­ским полем.

Лавинный пробой обра­тим, т.е. при снятии напряже­ния свойства p-n-перехода восстанавливаются.

При дальнейшем увели­чении напряжения наступает тепловой пробой. Плотность обратного тока в этом режиме достигает такой величины, что переход начинает разо­греваться. Это приводит к появлению дополнительных электронно-дырочных пар в переходе, что в свою очередь еще больше увеличивает плотность тока.

Процесс разрушения p-n-перехода вследствие его перегрева обратным током называется тепловым пробоем.

Основные параметры выпрямительных диодов:

— Iпр.ср – средний прямой ток;

— Uобр.мах – максимально допустимое обратное напряжение;

— Iобр – величина обратного тока при заданном обратном наряжении;

— Uпр – величина прямого напряжения при заданном прямом токе Iпр;

Биполярный транзистор

Транзистор представляет собой двухпереходный прибор. Переходы образуются на границах тех трех слоев, из которых состоит транзистор. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы
p-n-p и n-p-n со взаимно противоположными рабочими полярностями. Контакты с внешними электродами — омические (рис. 11).

Рис. 11. Структуры и условные обозначения

p-n-p (a, б) и n-p-n (в, г) биполярных транзисторов

Переход, работающий в прямом направлении, называется эмиттерным, а соответствующий крайний слой — эмиттером. Средний слой называется базой. Второй переход, нормально смещенный в обратном направлении, называется коллекторным, а соответствующий крайний слой — коллектором.

Читайте также:  Ручка шариковая паркер урбан премиум эбони металл чиселд

Как элемент электрической цепи, транзистор обычно используют таким образом, что один из его электродов является входным, а другой — выходным. Третий электрод является общим относительно входа и выхода. В цепь входного электрода включают источник входного пере­менного сигнала, а в цепь выходного — сопротивление нагрузки. В зависимости от того, какой электрод являет­ся общим, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) (рис. 12).

Рис. 1 2. Схемы включения биполярного транзистора:

а — с общей базой, б — общим эмиттером, в — общим коллектором

Основные процессы, протекающие в биполярном транзисторе, рассмотрим на примере транзистора, типа р-п-р, включенного по схеме с общей базой (рис. 13).

Рис. 13.Транзистор типа р-п-р, включенный по схеме с ОБ

При отсутствии внешних напряжений (Uэб=Uкб=0) поля р-n-переходов создаются лишь объемными зарядами ионов и установившиеся потен­циальные барьеры обоих пере­ходов поддерживают динами­ческое равновесие, а токи через переходы равны нулю. При на­личии источников смещения Eэ, и Екуказанной полярности (нормальное включение) соз­даются условия для инжекти­рования дырок из эмиттера в базу и перемещения электронов из базы в эмиттер. Поскольку концентрация электронов в базе во много раз меньше концентрации дырок в слое эмиттера, то встречный поток электронов значительно меньше. Поэтому при встречном перемещении дырок и электронов произойдет их частичная рекомбинация, а избыток дырок внедряется в слой базы, образуя ток эмиттера Iэ.

В результате инжекции дырок в базу, где они являют­ся неосновными носителями, в последней возникает градиент (перепад) концентрации дырок, что приводит к их диффузионному перемещению во всех направле­ниях, в том числе и к коллекторному р-n-переходу. Дрейф (перемещение носителей под воздействием электри­ческого поля) неосновных носителей к коллектору играет второстепенную роль. При перемещении через базу концентрация неосновных носителей заряда уменьшается за счет рекомбинации с электронами, поступающими в ба­зовую цепь от источника Eэ. Поток этих электронов образу­ет базовый ток Iб. Так как толщина базы wб современных транзисторов составляет единицы микрон, то большая часть дырок достигает коллекторного р-n-перехода и захватывается его полем, рекомбинируя с электронами, поступающими от источника питания Ек. При этом в кол­лекторной цепи проходит ток Iк, замыкая общую цепь тока. Таким образом, для токов транзистора справедли­во соотношение Iэ = Iб + Iк.

При любом варианте включения транзистора имеется две входные величины (ток и напряжение) и две выходные. Взаимозависимость этих четырех величин можно выразить двадцатью четырьмя семействами характеристик, но наиболее широкое распространение получила система:

Первое уравнение — это семейство входных характеристик, второе — выходных. На рис. 14 представлены идеальные семейства входных и выходных характеристик транзистора. На входных характеристиках (рис. 14, а) кривая при Uкб=0 является обычной прямой ветвью диодной ВАХ. При значениях Uбк>0 кривые сдвигаются влево и вверх в связи с нарастанием собираемого компонента эмиттерного тока.

Рис. 14. Идеальные статические характеристики транзистора:
а — входные; б — выходные

Выходные характеристики — это обратные ветви ВАХ диода, ток насыщения которого зависит от тока базы. Входной ток Iб в принципе может иметь не только положительную, но и небольшую отрицательную величину. Зависимость выходного тока коллектора от Iб обычно описывается следующим образом:

Коэффициент при токе Iб называется коэффициентом передачи базового тока. Довольно часто его называют также просто коэффициентом усиления транзистора. Обычно β>>1. Ток — нулевой ток коллектора в схеме, т. е. ток при оборванной базе. Следует отметить, что режим работы транзистора с оборванной базой очень опасен из-за возможности пробоя, поэтому непосредственно ток не измеряют. Минимально возможный ток коллектора будет получаться при отрицательном токе базы.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector