Контактная разность потенциалов

Рис. 5. Энергетические диаграммы полупроводника и диэлектрика.

В дополнение к введенным обозначениям на рис. 5 через Фm обозначена работа выхода электрона из металла - это энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы он вышел в вакуум с нулевой кинетической энергией с уровня Ферми в металле (соответствующий уровень энергии обозначен E=0). По аналогии были приняты понятия для работы выхода из полупроводника (Фs) и диэлектрика (Фd), однако, поскольку в этих материалах нет на уровне Ферми электронов и ее можно только рассчитать, и чтобы подчеркнуть это, такую работу выхода называют термодинамической. Измерить можно энергию, которую нужно сообщить электрону, находящемуся в зоне проводимости, чтобы он вышел из кристалла. Эту энергию называют сродством к электрону, на рис.5 она обозначена χ_s и χ_i.

Как видно из формулы, собственная концентрация полупроводников (следовательно, и проводимость) очень сильно зависят от температуры. Концентрация, рассчитанная в соответствии с формулой 1 для диэлектриков, дает значение, близкое к 0 (в см^-3).

На рис. 6 показаны зависимости собственной концентрации от температуры для трех полупроводниковых материалов: германия, кремния и арсенида галлия.

Рис. 6. Зависимость собственной концентрации электронов от обратной температуры в Ge, Si, GaAs.

Свободные носители заряда, создающие электропроводность, движутся хаотически, сталкиваясь с атомами решетки и друг с другом. Поскольку их поведение напоминает поведение частиц газа, для их описания используют основные понятия молекулярно-кинетической теории газов, такие как: статистическую вероятность распределения электронов и дырок по энергиям, понятие длины свободного пробега, диффузии частиц и другие. Такой подход является приближенным, значительно упрощающим реальные процессы в твердом теле, поэтому приходится вводить целый ряд поправок, которые, с одной стороны, усложняют модель, с другой делают ее более соответствующей реальным процессам.

Прежде всего все изменения характеристик свободных носителей заряда происходят на очень малых расстояниях, сравнимых с расстояниями между атомами, составляющими несколько ангстрем, т.е. на расстояниях, много меньших длины волны света. Следовательно, эти процессы должны подчиняться основным закономерностям, описываемым квантовой физикой. Согласно квантовой физике энергия любых частиц микромира квантована.

Контактная разность потенциалов

Рассмотрим процессы, происходящие при сближении и контакте двух электронных проводников, например двух металлов, с разными работами выхода. Энергетические схемы этих металлов показаны на рис. 9. Пусть Е_F1 и Е_F2 – энергия Ферми для первого и второго металла соответственно, а W₀₁ и W₀₂ – их работы выхода. В изолированном состоянии у металлов одинаков уровень вакуума и, следовательно, разные уровни Ферми. Предположим для определенности, что W₀₁<W₀₂, тогда уровень Ферми первого металла будет выше, чем второго (рис. 9 а). При контакте этих металлов против занятых электронных состояний в металле 1 находятся свободные энергетические уровни металла 2. Поэтому при контакте этих проводников возникает результирующий поток электронов из проводника 1 в проводник 2. Это приводит к тому, что первый проводник, теряя электроны, заряжается положительно, а второй проводник, приобретая дополнительный отрицательный заряд, заряжается отрицательно. Вследствие зарядки все энергетические уровни металла 1 смещаются вниз, а металла 2 – вверх. Процесс смещения уровней и процесс перехода электронов из проводника 1 в проводник 2 будет продолжаться до тех пор, пока уровни Ферми обоих проводников не выровняются (рис. 9 б). Как видно из этого рисунка, равновесному состоянию соответствует разность потенциалов между нулевыми уровнями проводников 0₁ и 0₂:

_{. (11)}

 

Рис. 9. Возникновение контактной разности потенциалов между двумя металлами

 

Разность потенциалов V_К.Р.П называется контактной разностью потенциалов. Следовательно, контактная разность потенциалов определяется разностью работ выхода электронов из контактирующих проводников. Полученный результат справедлив для любых способов обмена двух материалов электронами, в том числе и путем термоэлектронной эмиссии в вакууме, через внешнюю цепь и т.д. Аналогичные результаты получаются при контакте металла с полупроводником. Между металлами и полупроводником возникает контактная разность потенциалов, имеющая примерно тот же порядок величины, что и в случае контакта двух металлов (приблизительно 1 В). Различие состоит лишь в том, что если в проводниках вся контактная разность потенциалов приходится практически на зазор между металлами, то при контакте металла с полупроводником вся контактная разность потенциалов приходится на полупроводник, в котором образуется достаточно большой слой, обогащенный или обедненный электронами. Если этот слой обеднен электронами (в случае, когда работа выхода полупроводника n-типа меньше работы выхода металла), то такой слой называют блокирующим и такой переход будет обладать выпрямляющими свойствами. Потенциальный барьер, возникающий в выпрямляющем контакте металла с полупроводником, называют барьером Шоттки, а диоды, работающие на его основе, – диодами Шоттки.

Контакт двух полупроводников обладает выпрямляющим действием. Это значит, что сопротивление такого контакта зависит от направления проходящего через него тока. В одном направлении (запорном) оно велико, в противоположном (пропускном) - мало. Особенно резко выпрямляющее действие выражено на границе дырочного (р) и электронного (n) полупроводников, когда работа выхода электрона из электронного полупроводника меньше, чем из дырочного. О таком контакте говорят, как об электронно-дырочном (р-n) контакте или переходе.

Для получения хороших p-n переходов в пластинку чистого полупроводника вводят две примеси - донорную и акцепторную. Первая сообщает полупроводнику электронную, а вторая - дырочную проводимость. Например, если пластинка сделана из германия или кремния, то в качестве донора можно взять элемент пятой группы периодической системы (фосфор, мышьяк и пр.), а в качестве акцептора - элемент третьей группы (бор, индий и пр.). В результате в одной половине пластинки возникает электронная, а в другой - дырочная проводимость, а между обеими половинками - тонкий переходный слой. Это и есть p-n переход.

Допустим, что контакта между двумя полупроводниками из одного материала, но с разными типами примеси нет. Тогда границы энергетических зон (валентной зоны и зоны проводимости) в обоих полупроводниках совпадают. Примесные же уровни в запрещенной зоне расположены в электронном полупроводнике вблизи зоны проводимости, а в дырочном полупроводнике - вблизи валентной зоны. Благодаря этому средняя энергия электрона проводимости и уровень химического потенциала (mn) в первом полупроводнике будут выше, а работа выхода - меньше, чем во втором (mp) (рис. 1).

 

Зонная схема p- и n-полупроводников

 

Приведем полупроводники в контакт друг с другом. Электроны будут переходить из первого полупроводника во второй. Электронный полупроводник будет заряжаться положительно, а дырочный - отрицательно. В тонком слое между ними появится контактное электрическое поле, направленное от электронного полупроводника к дырочному. В результате этого энергетические уровни электронного полупроводника начнут опускаться, а дырочного - подниматься.

Контактное электрическое поле Eк будет тормозить переход электронов в дырочный полупроводник. Процесс перехода прекратится, когда уровни химического потенциала в обоих полупроводниках сделаются одинаковыми. Переходный слой становится сильно обедненным основными носителями тока (электронами в n-полупроводнике и дырками в р-полупроводнике). Его сопротивление оказывается во много раз больше суммарного сопротивления обоих полупроводников. На рис. 2 приведена схема энергетических уровней в случае контакта полупроводников с разным типом примесей в отсутствии внешнего поля.

Смещение зон при контакте p- и n-полупроводников

 

 

Присоединим теперь к этому кристаллу стороннюю э.д.с. так, как это показано на рис. 3: минус к р-кристаллу, и плюс к n-кристаллу.

Запирающее подключение перехода

 

Рис. 3

Такое подключение будем называть «обратным». Внешнее электрическое поле Е при этом направлено от электронного полупроводника к дырочному, т.е. одинаково с контактным полем Еc. Такое поле усиливает контактное поле Еc и тем самым еще больше уменьшает концентрацию основных носителей (дырок и электронов проводимости) в переходном слое. Сопротивление последнего еще больше возрастет. Величина тока Is через полупроводник в случае подачи на него напряжения очень мала, так как определяется неосновными носителями тока, концентрация которых незначительна.

Переменим теперь полюсы внешней э.д.с. (рис. 4).

 

Пропускающее подключение перехода

 

Рис. 4

 

Такое подключение будем называть «прямым». В этом случае внешнее поле Е будет направлено против контактного поля Еc. Тогда электроны проводимости и дырки будут беспрепятственно проникать в переходный слой, и сопротивление последнего практически исчезнет. Величина тока через контакт будет определяться уже основными носителями тока, концентрация которых велика, и ток через р-n-переход будет значителен.

В состоянии равновесия уровень Ферми в n- и p-областях выравнивается. Происходит это в результате следующих процессов. Представим полупроводниковый монокристалл, (например, германий или кремний), правая часть которого легирована донорной примесью и обладает n-типом проводимости, а левая часть монокристалла легирована акцепторной примесью и является полупроводником p-типа проводимости. В общем случае концентрация доноров и акцепторов может быть неодинакова.

Так как концентрация электронов в правой части кристалла (в донорной области) выше, электроны проводимости будут диффундировать в левую часть кристалла через границу раздела и рекомбинировать с дырками. Дырки будут диффундировать в противоположном направлении. В результате в приконтактной области донорного полупроводника практически не остается свободных электронов, и в ней формируется объемный положительный заряд неподвижных ионизированных доноров. Ионизированные акцепторы создают область отрицательного пространственного заряда в акцепторном полупроводнике. Взаимная диффузия электронов и дырок продолжается до тех пор, пока электрическое поле, которое возникает от заряда неподвижных доноров и акцепторов, не остановит диффузионный ток, и в полупроводнике появится потенциальный барьер UD, препятствующий самопроизвольному току в кристалле. Этот потенциал играет роль контактной разности потенциалов. Это же поле выталкивает неосновные носители, перебрасываемые из одной области в другую, и в условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического напряжения, полный ток через электронно-дырочный переход равен нулю.

Таким образом, в электронно-дырочном переходе существует динамическое равновесие, при котором небольшой ток, создаваемый неосновными носителями (электронами в р-области и дырками в n-области), течет к p-n-переходу и проходит через него под действием контактного поля. Равный по величине ток, создаваемый диффузией основных носителей (электронами в n-области и дырками в р-области), протекает через переход в обратном направлении. При этом основным носителям приходится преодолевать контактное поле (потенциальный барьер). Разность потенциалов, возникающая между p- и n-областями из-за наличия контактного поля (контактная разность потенциалов или высота потенциального барьера), обычно составляет десятые доли вольта.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: