Контактные_явления. Учебнометодический комплекс Контактные явления москва 2016 ниу мэи Презентации к лекционному курсу
 Скачать 3.43 Mb.
|
Твердотельная электроникаЭлектронный учебно-методический комплекс Контактные явления МОСКВА 2016 НИУ «МЭИ» Презентации к лекционному курсу Барьер на границе металла с полупроводником (барьер Шоттки)Работа выхода равна разности между энергией покоящегося электрона в вакууме у поверхности образца полупроводника и уровнем Ферми в данном полупроводнике. Контакт металл-полупроводникКонтакт металл-полупроводникКонтакт металл-собственный полупроводникКонтакт металл-электронный полупроводникКонтакт металл-дырочный полупроводникБез смещения: Со смещением: Сила изображенияСила изображенияЕсли теперь вблизи границы раздела металл – вакуум имеется электрическое поле , то выражение для энергии электрона на расстояния х приобретает вид: Эта функция имеет максимум в точке хm. Его положение можно определить из условия где в качестве обычно принимается максимальное электрическое поле в обедненной области. Контактное электрическое поле понижает высоту барьера на величину 0,01-0,04 эВ. Прямое и обратное смещение перехода металл-полупроводникВажно подчеркнуть, что внешнее напряжение может только выпрямить границы разрешенных зон . Другими словами, при приложении больших прямых смещений электроны начнут «убегать» от батареи смещения и все зоны будут наклоняться. Расчет ВАХ барьера ШотткиПри приложении напряжения: где - Постоянная Ричардсона ВАХ диода ШотткиДиод ШотткиДиод ШотткиДШ характеризуются быстрой рекомбинацией инжектированных носителей (время жизни носителей крайне мало), а значит и высоким быстродействием. Благодаря минимальному сопротивлению базы и отсутствию процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов, быстродействие получается достаточно высоким: граничная частота fгр = 1010 Гц. Контакт электронного и дырочного полупроводников Возникновение потенциального барьера. Контактная разность потенциаловОбразование p-n-переходаПерераспределение носителей, образовавшееся при контакте, и формирование потенциального барьера высотой приводит к тому, что диффузионный поток основных носителей ( и ) прекращается. Энергетический барьер существует именно для основных носителей, потенциального барьера для неосновных носителей ( и ) нет Для того чтобы рассчитать распределения концентраций свободных носителей в приповерхностной области необходимо решить уравнение Пуассона, устанавливающее связь между распределением потенциала и пространственного заряда ρ(x): Решение уравнения ПуассонаТолщина ОПЗ Чем выше степень легирования n- и p-областей полупроводника, тем меньше толщина ОПЗ. Если одна из областей легирована значительно сильнее другой, то большая часть падения потенциала приходится на высокоомную область Определение контактной разности потенциаловПотенциальный барьер в pn-переходе тем выше, чем сильнее легированы p- и n-области. По мере роста температуры величина возрастает. Выражение под знаком логарифма стремится к нулю, т.е. контактная разность потенциалов с ростом температуры уменьшается. При высоких температурах начинает доминировать собственная проводимость как в p-, так и в n-области, при этом в каждой из областей уровень Ферми стремится к середине запрещенной зоны и стремится к нулю. Связь концентрации носителей с Рассмотрим теперь pn-переход, к которому приложено прямое смещение Vсм (минус батареи к n-типу, плюс – к p-типу).Допустим, что все приложенное внешнее напряжение падает на pn-переходе. При прямом смещении высота потенциального барьера понижается на qVсм по сравнению с равновесным состоянием, соответственно изменяется и толщина ОПЗ: Понижение потенциального барьера приводит к увеличению потока основных носителей заряда по сравнению с равновесным состоянием. Под действием диффузионных процессов основные носители ( и ) перемещаются в соседнюю область, становясь неосновными носителями ( и ). Образовавшийся градиент концентрации неосновных носителей приводит к появлению диффузионных токов неосновных носителей заряда, он направлен от ОПЗ вглубь полупроводника. При этом направления диффузионных токов, создаваемых и совпадают, в то время как их потоки направлены в разные стороны. Распределение носителей заряда вблизи переходаа) Введение в полупроводник носителей заряда с помощью pn-перехода при подаче на него прямого смещения в область, где эти носители заряда являются неосновными, называют инжекцией. Концентрация дырок в n-области вблизи контакта будет равна: Для ее нахождения в стационарном случае на границе с ОПЗ (при ) нужно вместо использовать значение Концентрация неосновных носителей в низколегированной области (базе) зависит от концентрации носителей в высоколегированной области (эмиттере) и от напряжения смещения, приложенного к pn-переходу Распределение неосновных носителей в базеАналогичные явления происходят в p-области: сюда из n- области инжектируются электроны и концентрация избыточных электронов при x=-Wp составит: Если к pn-переходу приложено обратное смещение (минус батареи к p-типу, плюс – к n-типу), потенциальный барьер повышается на . Толщина слоя ОПЗ увеличивается: Чем сильнее переход смещен в обратном направлении, тем выше потенциальный барьер, и тем меньшее количество основных носителей заряда способно преодолеть возросший потенциальный барьер. В соответствии с этим количество неосновных носителей заряда в приконтактной области уменьшается по сравнению с равновесным состоянием, следовательно, уменьшается и количество основных носителей заряда вследствие соблюдения электронейтральности. Это явление носит название экстракции носителей заряда Таким образом, при обратном смещении pn-перехода ток основных носителей заряда будет меньше, чем при равновесном состоянии, а ток неосновных носителей заряда практически не изменится. Поэтому суммарный ток через pn-переход будет направлен от n-области к p-области и с увеличением обратного напряжения вначале будет незначительно расти, а затем стремиться к некоторой величине, называемой током насыщения Js. Прямое смещение p-n-перехода
Идеальная МДП–структураЕсли на окисел, покрывающий поверхность кристалла, нанести металлический электрод (затвор), то, изменяя его потенциал относительно объема кристалла, возможно изменять величину заряда в приповерхностной области полупроводника и, соответственно, её проводимость. Этот эффект положен в основу целого ряда полупроводниковых устройств, среди которых самое известное – МДП-транзистор. МДП-структура МДП-структураНа границе металл-диэлектрик, диэлектрик-полупроводник, а в отсутствии диэлектрика на границе металл-полупроводник возникает контактная разность потенциалов: Обогащениеn-тип Обеднениеn-тип p-тип Инверсияn-тип p-тип Допущения для «идеальной» МДП-структурыРазность работ выхода между металлом затвора и диэлектриком, диэлектриком и полупроводником, равна нулю. Диэлектрик является идеальным изолятором. В диэлектрике и на границах раздела металл-диэлектрик и полупроводник-диэлектрик нет никаких зарядов, т.е. диэлектрик не имеет дефектов. При любых смещениях в структуре могут существовать только заряд в ее полупроводниковой части и равный ему заряд противоположного знака на металлическом электроде, отделенном от полупроводника слоем диэлектрика. МДП-структураДля характеристики изгиба будем использовать понятие поверхностного потенциала φsРасчет параметровК расчету МДП-структуры(4.6) (4.7) (4.8) (4.9) (4.10) (4.11) (4.12) Емкость барьера ШотткиЕмкость p-n–переходаДиффузионная емкость pn-переходаЕмкость МДП-структурыС-V-характеристики идеальной МДП-структурыЗаряды в окисле |