Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Контакт метал – напівпровідник. Перехід Шотткі



6.1. Утворення переходу Шотткі.

Перехід Шотткі виникає на границі металу і напівпровідника n-типу, причому метал повинен мати роботу виходу електрона більшу, ніж напівпровідник.

Ам>Аn

Рис.6. Структура переходу Шотткі

Ам – робота виходу електронів із металу;

Аn – робота виходу електронів із напівпровідника;

 

При контакті двох матеріалів з різною роботою виходу електронів електрон проходить із матеріалу з меншою роботою виходу в матеріал з більшою роботою виходу, і ні при яких умовах - навпаки. Електрони із приконтактного шару напівпровідника переходять у метал, а на їхньому місці залишаються нескомпенсовані позитивні заряди йонів донорної домішки. У металі велика кількість вільних електронів, і, отже, на границі метал-напівпровідник виникає електричне поле й потенціальний бар'єр. Створене поле буде гальмуючим для електронів напівпровідника і буде відкидати їх від межі поділу. Межа поділу металу і напівпровідника із шаром позитивних зарядів йонів донорної домішки називається переходом Шотткі (відкритий в 1934 році).

Пряме й зворотне включення діодів Шотткі.

· Якщо прикласти зовнішню напругу плюсом до металу, а мінусом до напівпровідника, виникає зовнішнє електричне поле, спрямоване зустрічно полю переходу Шотткі. Це зовнішнє поле компенсує поле переходу Шотткі і буде прискорювальним для електронів напівпровідника. Електрони будуть переходити з напівпровідника в метал, формуючи порівняно великий прямий струм. Таке включення називається прямим.(рис.6)

· При подачі зовнішньої напруги мінусом до металу, а плюсом до напівпровідника виникає зовнішнє електричне поле, яке співпадає з полем переходу Шотткі. Обидва ці поля будуть гальмуючими для електронів напівпровідника, і будуть відкидати їх від межі поділу. Обидва ці поля будуть прискорюючими для електронів металу, але вони через межі поділу не пройдуть, тому що в металі більша робота виходу електрона. Таке включення переходу Шотткі називається зворотним.

Зворотний струм через перехід Шотткі буде повністю відсутній, тому що в металі не існує неосновних носіїв зарядів. Переваги переходу Шотткі:

- відсутність зворотного струму;

- перехід Шотткі може працювати на НВЧ;

- висока швидкодія при перемиканні із прямого стану у зворотний і навпаки.

Недолік - вартість. В якості металу в більшості використовують золото.

 

Тунельний ефект

Тунельний ефект в напівпровідниках відкритий в 1958 р. японським вченим Лео Есакі. Цей ефект проявляється на p-n переході вироджених напівпровідниках.

Тунельний ефект заключається в тому, що електрони проходять через потенціальний бар’єр p-n переходу, не змінюючи своєї енергії.Для отримання тунельного ефекту використовують напівпровідниковий матеріал (германій, арсенід галію) з дуже високим коефіцієнтом домішок(до 1021домішкових атомів на 1 см3). Напівпровідники з такою високою концентрацією домішок називають виродженими,а їх властивості стають дуже схожими на властивості металів. В наслідок високої концентрації домішок в обох областях напівпровідникового кристала ширина p-n переходу дуже мала (близько 0,01 мкм), що призводить до значного підвищення напруженості електричного поля на переході ( ). У цих умовах електрони можуть переходити від атома до атома, навіть не набуваючи енергії, потрібної для відривання від ядра. Таким чином електрони можуть переходити з валентної зони в зону провідності, не витрачаючи енергії на подолання забороненої зони. Електрони в цьому разі не долають потенціальний бар’єр, а проходять через нього, немов через тунель. Тому описане явище дістало назву тунельного ефекту.

Отже, властивість односторонньої провідності на p-n переході при тунельному ефекті відсутня, а струм через p-n перехід буде мати три складові:

(11)

де Іт.пр. – прямий тунельний струм спрямування, за рахунок проходження зарядів через тунелі при прямому включенні;

Іт.зв. – зворотний тунельний струм, той же самий, що й прямий, але при зворотному включенні ;

Ідиф. – дифузійний струм, що створюється переміщенням електронів і дірок провідності.

Вольт-амперна характеристика p-n переходу при тунельному ефекті буде мати вигляд, зображений на рис.7.

Рис.1. Вольт-амперна характеристика p-n переходу з тунельним ефектом (1) і звичайного p-n переходу (2)

 

При відсутності зовнішньої напруги струм, що проходить через p-n перехід практично рівний нулеві. З підвищенням прямої напруги, прикладеної до p-n переходу, потік електронів з області n в область p зростатиме, а з p у n – зменшиться. В наслідок цього прямий струм збільшується і при деякій напрузі U1 досягне максимального значення Імах. (точка А на рис.7). Якщо ж змінити полярність джерела, то потік електронів з p-області в n-область зростатиме, а з n-області в p-область – зменшиться. Тому результуючий струм змінить свій напрям і в міру підвищення зворотної напруги лінійно зростатиме (ділянка 0Б на рис.1).

Основна властивість вольт-амперної характеристики p-n переходу з тунельним ефектом полягає в тому, що при подачі прямої напруги, яка перевищує U1 прямий струм починає досить різко зменшуватися до деякого мінімального Imin. Наявність спадаючої характеристики (АВ на рис.7) можна пояснити так. Підвищення прямої напруги, з одного боку, призводить до підвищення тунельного струму, а з другого – до зменшення напруженості електричного поля в p-n переході. Тому при деякому значенні прямої напруги U2 тунельний ефект зникає, а p-n перехід набуває звичайні властивості, пов’язані з проходженням через нього дифузійного струму (на рис. 7 крива 1 в інтервалі після U2 співпадає з кривою 2).

В інтервалі напруг від U1до U2 зростання напруги призводить до зменшення струму. Отже, на цій ділянці p-n перехід чинить змінному струму деякий негативний опір

Зменшення струму, зумовлене зростанням напруги, еквівалентне зсуву фази між вказаними величинами на 180о. Тому потужність змінного сигналу, що дорівнює добутку струму на напругу, матиме негативний знак. Це означає, що негативний опір не споживає потужності змінного сигналу, а віддає її у зовнішнє коло.

В електроніці поняття “ негативний опір ” відоме давно. З допомогою негативного опору можна компенсувати втрати, які спричиняє в схемі негативний опір, і залежно від поставленого завдання здійснити підсилення, генерування або перетворення електричних сигналів.

На цьому явищі заснована робота тунельних діодів, які використовують для підсилення і генерування НВЧ коливань.

 

Гетероперехід

Гетеропереходом (від грец. гетер – інші) називають перехід, створений в результаті контакту напівпровідників з різною шириною забороненої зони. Прикладом гетеропереходів можуть бути переходи германій – кремній, германій – арсенід галію та ін.

Електронно – діркові переходи формуються в однорідних матеріалах (кремнію або германію та ін.). Напівпровідник обох ділянок має однакову ширину забороненої зони. Тому такі переходи ще називають гомопереходами.

Для формування гетеропереходів використовують напівпровідники з подібними кристалічними структурами. Принципово новий підхід у фізичному матеріалознавстві зумовив створення не тільки гетеропереходів між напівпровідниками n – і p – типу, але і гетеропереходи з одним типом провідності: nn або pp.

На рис.8. приведена енергетична діаграма p – n гетеропереходу, в якому ширина забороненої зони діркового напівпровідника менша, ніж у електронного.

Рис.8.Енергетична діаграма p – n гетеропереходу

 

Особливістю енергетичної діаграми гетеропереходу являється розрив енергетичних рівнів у валентній зоні і в зоні провідності . Величина розривів залежить від співвідношення ширини заборонених зон і . У гетеропереходах створюються дві збіднені зони: dn та dp . Висота потенціального бар’єра для електронів, що рухаються з n – у p – ділянку, відрізняється від висоти потенціального бар’єра для дірок, що рухаються з p – у n – ділянку. Тому під час вмикання прямої напруги буде переважати інжекція електронів навіть тоді, коли p – ділянка має таку концентрацію домішок, що і n – ділянка. Тобто можна реалізувати односторонню інжекцію носіїв заряду. Цим гетероперехід принципово відрізняється від гомопереходу.

У гетеропереходах між напівпровідниками одного типу провідності можна значно підвищити потенціальний бар’єр для неосновних носіїв. Це застосовується на практиці для обмеження області накопичення неосновних носіїв. Так при використанні гетеропереходів типу nn в прямій провідності приймають участь тільки основні носії струму – електрони . Це означає , що при перемиканні приладу із прямого вмикання в зворотне в ньому буде відсутнє повільне «розсмоктування» неосновних зарядів, як в звичайних p – n переходах. Значить, за допомогою подібних гетеропереходів може бути суттєво зменшено час перемикання напівпровідникових приладів (до 0,3-Нс).

Гетеропереходи між напівпровідниками одного типу провідності використовують для створення надвисокочастотних транзисторів та надшвидкодіючих цифрових інтегральних мікросхем.

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.