CATEGORII DOCUMENTE |
Bulgara | Ceha slovaca | Croata | Engleza | Estona | Finlandeza | Franceza |
Germana | Italiana | Letona | Lituaniana | Maghiara | Olandeza | Poloneza |
Sarba | Slovena | Spaniola | Suedeza | Turca | Ucraineana |
DOCUMENTE SIMILARE |
|
Puslaidininkiniuose įtaisuose naudojamos vienalytės pn sandūros, įvairialytės pn sandūros, metalo-puslaidininkio, metalo-dielektriko-puslaidininkio (MDP), metalo-oksido-puslaidininkio (MOP) ir kiti dariniai. iame skyriuje apvelgsime reikinius įvairialyčių mediagų sandūrose ir įvairialyčių kontaktų bei puslaidininkių pavirinių sluoksnių savybes. Kontaktiniai reikiniai svarbūs, kai srovė teka statmena sandūroms kryptimi ir kerta sandūros pereinamąjį sluoksnį. Paviriniai reikiniai svarbūs, kai srovė teka paviriniu sluoksniu lygiagrečiai paviriui.
Metalo-puslaidininkio kontaktas buvo panaudotas pirmuosiuose puslaidininkiniuose dioduose. Dabar pasiyminčios vienakrypčiu laidumu metalo-puslaidininkio sandūros taikomos didelės veikimo spartos ir kituose puslaidininkiniuose įtaisuose. Be to, visuose puslaidininkiniuose įtaisuose reikalingi pasiymintieji maa vara ominiai metalo-puslaidininkio kontaktai.
Inagrinėkime reikinius metalo-puslaidininkio sandūrose ir isiaikinkime, kas lemia metalo-puslaidininkio sandūrų savybes.
Metalo-puslaidininkio sandūrų savybės priklauso nuo elektrono ilaisvinimo darbo i metalo, ilaisvinimo darbo i puslaidininkio ir kitų puslaidininkio savybių.
Metale laisvąjį elektroną veikia aplinkiniai krūviai, tačiau atstojamoji jėga praktikai lygi nuliui. Jei elektronas tolsta nuo metalo bandinio, iame bandinyje lieka nesukompensuotas teigiamas jonas ir atsiranda elektrinės traukos jėga, trukdanti elektronui nutolti (1 pav., a). Dėl ios jėgos veikimo itrūkdamas i metalo bandinio elektronas turi įveikti potencialo barjerą. Taigi laisviesiems elektronams bandinys yra potencialo duobė.
Potencialo duobė, kurioje yra metalo bandinio laidumo juostos elektronai atvaizduota 1 paveiksle, b. Jame nuliniu energijos lygmeniu laikomas lygmuo, kurį uimtų vakuume toli nuo bandinio esantis nejudantis elektronas. Ilėkdamas i metalo, elektronas turi įveikti ilaisvinimo barjerą, kurio auktis priklauso nuo to, kokį energijos lygmenį uima tas elektronas. Vidutinis darbas , kurį turi atlikti elektronas itrūkdamas i metalo, yra lygus energiniam atstumui tarp Fermio lygmens ir nulinio energijos lygmens. Jis vadinamas termodinaminiu ilaisvinimo darbu, arba tiesiog ilaisvinimo darbu.
Puslaidininkio bandinio elektronai taip pat yra potencialo duobėje (1 pav., c). Neisigimusio puslaidininkio Fermio lygmuo yra draudiamojoje juostoje. Energija, kurios reikia, kad i puslaidininkio bandinio ilėktų elektronas, esantis laidumo juostos dugne, yra vadinama elektroniniu giminikumu. Tačiau i puslaidininkio bandinio gali ilėkti arba laidumo, arba valentinės juostos elektronai. Taigi ilaisvinimo darbas skiriasi nuo elektroninio giminikumo. Laidumo juostos elektronas sutinka emesnį potencialo barjerą nei valentinės juostos elektronas. Tačiau valentinėje juostoje yra daugiau elektronų nei laidumo juostoje. Isamesnė analizė rodo, kad elektronų, itrūkstančių i puslaidininkio valentinės ir laidumo juostų, santykis yra toks, kad vidutinis darbas, kurį turi atlikti ilekiantis elektronas, taip pat lygus energiniam atstumui tarp nulinio energijos lygmens ir Fermio lygmens. Taigi .
Pradioje aptarkime metalo ir n puslaidininkio sandūrą tuo atveju, kai elektrono ilaisvinimo i metalo darbas darbas didesnis u elektrono ilaisvinimo i puslaidininkio darbą . 2 paveiksle atvaizduoti dar nesujungti metalo ir puslaidininkio bandiniai ir jų energijos lygmenų diagramos. Kadangi >, tai puslaidininkio Fermio lygmuo auktesnis u metalo Fermio lygmenį.
Sujungus badinius (3 pav.), elektronai i puslaidininkio,
kuriame Fermio lygmuo auktesnis, pereina į metalą, kur Fermio lygmuo
emesnis. Itrūkus i puslaidininkio elektronams, sandūroje susidaro
nuskurdintasis puslaidininkio sluoksnis, pasiymintis didesne savitąja
vara. iame sluoksnyje lieka nesukompensuoti teigiami donorų jonai. Tarp
jų ir perėjusių į metalą bei susitelkusių ploname
sluoksnyje elektronų susidaro vidinis elektrinis laukas, stabdantis
kitų n srities elektronų judėjimą į
metalą.
Nusistojus pusiausvyrai, metalo ir puslaidininkio Fermio lygmenys susilygina. U sluoksnio, kuriame veikia elektrinis laukas, ribų metalo ir puslaidininkio energijos lygmenų padėtis Fermio lygmens atvilgiu lieka nepakitusi. Puslaidininkio sluoksnyje, kur veikia elektrinis laukas, energijos juostos ilinksta, ir kontakto srityje tarp puslaidininkio ir metalo susidaro potencialo barjeras, kurio auktis ; čia kontaktinis potencialo skirtumas tarp puslaidininkio ir metalo.
Dėl energijos juostų ilinkimo pereinamajame sluoksnyje padidėja nuotolis tarp lygmenų ir . Fermio lygmuo priartėja prie draudiamosios juostos vidurio (3 pav.). Nesunku įsitikinti, kad, esant didesniam ilaisvinimo darbų skirtumui, energijos juostos tiek ilinktų, kad Fermio lygmuo prie kontakto atsidurtų emiau draudiamosios juostos vidurio. Tada kontakto srityje susidarytų inversinis sluoksnis, kuriame skylių koncentracija būtų didesnė u elektronų koncentraciją. Atsiradus inversiniam p sluoksniui, metalo ir n puslaidininkio sandūroje susidarytų pn sandūra.
Taigi tuo atveju, kai >, metalo ir n puslaidininkio sandūroje susidaro nuskurdęs didelės varos sluoksnis, vadinamas utvariniu sluoksniu arba net inversinis skylinio laidumo puslaidininkio sluoksnis ir pn sandūra.
Jeigu elektrono ilaisvinimo i metalo darbas maesnis u elektrono ilaisvinimo i n puslaidininkio darbą, sudarius metalo-puslaidininkio sandūrą, elektronai i metalo pereina į puslaidininkį. Tada sandūroje susidaro puslaidininkio sluoksnis su padidinta pagrindinių krūvininkų elektronų koncentracija (4 pav.). Padidėjus elektronų koncentracijai, laidumo juostos dugnas priartėja prie Fermio lygmens (4 pav., b).
Nagrinėdami metalo ir p puslaidininkio sandūrą, galėtume įsitikinti, kad nuskurdintasis ar net inversinis sluoksnis susidaro, kai . Jeigu , sandūroje susidaro laidus praturtintasis sluoksnis.
Metalo-puslaidininkio sandūroje susidaręs utvarinis sluoksnis pasiymi ventilio savybėmis. Paprasčiausią tokios sandūros teoriją 1938 metais sukūrė V. otkis (Schottky). Utvariniame sluoksnyje susidarantis potencialo barjeras dabar vadinamas otkio barjeru.
Kai iorinė įtampa neveikia, įveikiantieji potencialo barjerą elektronai, sukuria nedidelį srautą i puslaidininkio į metalą (5 pav.). Dėl vidinio elektrinio lauko susikuria dreifinis elektronų srautas i metalo į puslaidininkį. Pusiausvyros būsenoje paminėti srautai kompensuoja vienas kitą ir pilnutinės srovės per sandūrą stipris lygus nuliui.
Jeigu prie metalo ir puslaidininkio darinio prijungiama iorinė įtampa, kurios teigiamas polius prijungtas prie n srities, o neigiamas polius prie metalo, tai puslaidininkio potencialas pakyla, jame esančių elektronų potencinė energija sumaėja, ir puslaidininkio energijos lygmenys pasislenka emyn (6 pav.). Iorinė įtampa krinta didelės varos nuskurdintajame sluoksnyje, ir auktis potencialo barjero, kurį sutinka elektronai, pereinantieji i puslaidininkio į metalą, padidėja. Taigi aptariamo polikumo įtampa yra atgalinė įtampa. Pradėjus veikti iorinei įtampai, auktis barjero, kurį sutinka elektronai, judėdami i metalo į puslaidininkį, nepakinta. Todėl susilpnėjus elektronų srautui i puslaidininkio į metalą, per sandūrą teka tik silpnas srautas i metalo į puslaidininkį. (6 pav., a).
5.7 pav. Metalo ir puslaidininkio darinys su utvariniu sluoksniu, veikiant tiesioginei įtampai
Įrodoma, kad srovės, tekančios per metalo-puslaidininkio sandūros utvarinį sluoksnį, stiprio priklausomybė nuo įtampos ireikiama formule:
; (1)
čia , sandūros plotas.
i iraika sutampa su idealios pn sandūros voltamperinės charakteristikos iraika. Ir vis dėlto kai kurie reikiniai metalo-puslaidininkio sandūroje i esmės skiriasi nuo reikinių pn sandūros aplinkoje. Labai svarbu tai, kad, tekant per metalo ir puslaidininkio sandūros utvarinį sluoksnį tiesioginei srovei, nevyksta alutinių krūvininkų injekcija ir kaupimas. Perėję i n puslaidininkio į metalą elektronai lieka pagrindiniais krūvininkais. i aplinkybė lemia geras metalo-puslaidininkio sandūros danines savybes, didelę veikimo spartą ir taikymą mikrobangų įtaisuose.
Dar svarbu pastebėti, kad metalo-puslaidininkio sandūros slenkstinė įtampa, kuriai veikiant sandūra atsiveria, yra maesnė nei pn sandūrų slenkstinės įtampos.
Metalo-puslaidininkio sandūros su otkio barjerais danai taikomos puslaidininkiniuose įtaisuose. Kita vertus, tenka pastebėti, kad dėl metalo-puslaidininkio sandūrų savybių kyla keblumų, kuriant puslaidininkinius įtaisus. Reikalas tas, kad puslaidininkio ir metalinių ivadų kontaktai turi būti ominiai jų varos turi būti maos, o voltamperinės charakteristikos tiesinės.
Kai >, siekiant sumainti metalo ir n puslaidininkio kontakto srityje susidarantį utvarinį barjerą, puslaidininkio sluoksnis po kontaktu papildomai legiruojamas donorinėmis priemaiomis. Tokio kontakto sandara ir energijos lygmenų diagrama atvaizduotos 8 paveiksle. I energijos lygmenų diagramos matyti, kad, sudarius n+ sluoksnį, galima pasiekti, kad pereinantieji i n puslaidininkio į metalą elektronai nesutiktų barjero.
Silicio integrinių grandynų elementų jungiamieji laidininkai laidieji takeliai danai daromi i aliuminio. Aliuminis, kaip inome, yra akceptorinė priemaia. Todėl, sudarant aliuminio takelių kontaktus su puslaidininkio p sritimis, jokių komplikacijų nekyla. Įdeginant kontaktus, aliuminio atomai difunduoja į puslaidininkį, kontakto srityje susidaro papildomai legiruotas akceptorinėmis priemaiomis sluoksnis, pasiymintis dideliu laidumu, ir gaunamas geras ominis kontaktas.
Prasiskverbus aliuminio atomams į n sritį, galėtų susidaryti didesnės varos sluoksnis, kuriame efektinė donorinių priemaių koncentracija maesnė, arba net p laidumo sritis ir pn sandūra. Siekiant to ivengti, n sritis po būsimuoju silicio kontaktu su aliuminio ivadu papildomai legiruojama donorinėmis priemaiomis, kurių koncentracija gerokai virija maksimalų aliuminio tirpumą silicyje. Susidaręs n sluoksnis pasiymi isigimusio puslaidininkio pusmetalio savybėmis. Jo laidumas lieka didelis net į jį prasiskverbus aliuminio atomams.
1 uduotis
Sandūra sudaryta tarp metalo ir n puslaidininkio. Elektronų ilaisvinimo i metalo darbas 1,4 eV, ilaisvinimo i puslaidininkio darbas 1 eV. Prijungus tarp puslaidininkio ir metalo sričių 0,4 V įtampą, 300 K temperatūroje teka 0,1 mA srovė. Koks būtų srovės stipris, pakeitus įtampos polikumą?
Sprendimas
Kadangi elektronų ilaisvinimo i n puslaidininkio darbas maesnis nei ilaisvinimo i metalo darbas, sandūroje susidaro otkio barjeras ir jos voltamperinė charakteristika ireikiama (1) formule. Įtampa, kurios teigiamas polius prijungtas prie n srities, o neigiamas prie metalo, yra atgalinė įtampa. Tada 0,1 mA srovė yra soties srovė, ir stiprį srovės, kuri tekėtų pakeitus įtampos polikumą, galime rasti pagal (1) formulę:
.
Yra puslaidininkių, kurių kristalinių gardelių konstantos beveik vienodos ir kurių kristalizacija vyksta panaiai. Tada jie gali būti auginami vienas ant kito ir sudaryti vieną kristalą. Tačiau skirtingų puslaidininkinių mediagų sandūroje kinta draudiamosios juostos plotis, elektroninis giminikumas, elektronų ilaisvinimo darbas, dielektrinė skvarba ir kitos mediagų savybės. Tarp tokių mediagų susidaro įvairialytės sandūros, arba heterosandūros.
Kiekvienas įvairialytės sandūros puslaidininkis gali būti legiruotas donorinėmis ar akceptorinėmis priemaiomis. Todėl galimi keturi įvairialyčių sandūrų tipai: nN, pP, nP ir pN. Čia didiosios raidės ymi platesnės draudiamosios juostos, maosios siauresnės draudiamosios juostos puslaidininkį.
Imkime GaAs ir GaAlAs. GaAs draudiamosios juostos plotis
maesnis, elektroninis giminikumas didesnis. 9 paveiksle atvaizduotos N, n
bandinių ir Nn darinio energijos
lygmenų diagramos. Kaip matyti i 9 paveikslo, b, Nn
sandūroje elektronams gali susidaryti potencialo barjeras, ir gali
reiktis staigios Nn sandūros
voltamperinės charakteristikos netiesikumas. Tačiau praktikoje
GaAs-GaAlAs sandūroje susidaro ominis kontaktas, nes sandūra
daniausiai nebūna idealiai staigi. Gi, jeigu yra pereinamasis GaAs-GaAlAs
sluoksnis, kuriame kinta aliuminio koncentracija, energijos lygmenys
sandūroje kinta nuosekliai, be trūkių, kaip atvaizduota
brūknine linija (9 pav., b).
Np sandūros juostinis modelis panaus į vienalytės np sandūros juostinį modelį: elektronams ir skylėms susidaro potencialo barjerai (10 pav.). Tiesa, būtina pastebėti ir esminį skirtumą įvairialytėje sandūroje potencialo barjerai elektronams ir skylėms yra nevienodo aukčio.
Įvairialyčių sandūrų eksperimentines voltamperines charakteristikas galima aproksimuoti iraika:
; (2)
čia soties srovė; koeficientas, priklausomas nuo sandūros tipo ir temperatūros (1<<3).
Kadangi potencialo barjerų aukčiai
elektronams ir skylėms nevienodi, tiesioginę įvairialytės
sandūros srovę lemia krūvininkai, kuriems potencialo barjero
auktis maesnis. Kai potencialo barjeras emesnis elektronams, jų
injekcijos i N srities į p sritį efektyvumas ireikiamas
formulėmis:
; (3)
; (4)
čia ir elektroninės ir skylinės srovių tankiai; ir - elektronų ir skylių difuzijos koeficientai p ir N srityse; ir elektronų ir skylių difuzijos nuotoliai p ir N srityse; ir donorinių ir akceptorinių priemaių koncentracijos; efektinis lygmenų tankis laidumo (i=c) ir valentinėje (i=v) juostose N () ir p () srityse; laidumo elektronų efektinė masė laidumo juostoje (i=c) ir skylių koncentracija valentinėje juostoje (i=v) N ir p srityse; ir N ir p sričių puslaidininkių draudiamųjų juostų pločiai; h Planko konstanta.
GaAs ir Ga0,7Al0,3As (čia trupmenos ymi galio ir aliuminio atomų skaičiaus ir visų trivalenčių atomų skaičiaus santykį) draudiamųjų juostų pločiai skiriasi apie 0,37 eV. Tada 300 K temperatūroje eksponentinis daugiklis (4) formulėje yra apie 6 107. Todėl elektroninės ir skylinės srovių per įvairialytę sandūrą santykį lemia potencialo barjerų elektronams ir skylėms aukčiai, o ne darinio sričių legiravimas.
Įvairialytės sandūros naudojamos mikrobangų, optinės elektronikos ir kituose puslaidininkiniuose įtaisuose.
Tarkime, kad ant monokristalinio puslaidininkio sluoksnio buvo sudarytas dielektriko sluoksnis, o ant jo metalinis elektrodas. Toks darinys (11 pav., a) vadinamas MDP (metalo-dielektriko-puslaidininkio) dariniu.
Sakykime, kad prie puslaidininkio ir metalo prijungti ivadai, kuriais prie MDP darinio gali būti prijungta iorinė įtampa, o. puslaidininkis yra n tipo. Dar, kad būtų paprasčiau isiaikinti reikinių MDP darinyje esminius bruous, tarkime, kad elektrono ilaisvinimo darbas i metalo toks pat kaip elektrono ilaisvinimo i puslaidininkio darbas.
11 paveiksle, b, atvaizduota MDP darinio energijos lygmenų diagrama, kai iorinė įtampa neprijungta. Dielektriko sluoksnio draudiamoji juosta plati ( yra dielektriko laidumo juostos dugnas), todėl metalo ir puslaidininkio elektronus skiria auktas potencialo barjeras, ir MDP darinys yra savotikas kondensatorius.
Prijungta prie MDP darinio iorinė įtampa krinta dielektriko sluoksnyje ir paviriniame puslaidininkio sluoksnyje. Pradėjus veikti iorinei įtampai atsiradęs elektrinis laukas gali pakeisti alia dielektriko esančio puslaidininkio pavirinio sluoksnio laidumą gali susidaryti praturtintasis, nuskurdintasis ar net inversinis puslaidininkio sluoksnis.
Prijungus prie MDP darinio 12 paveiksle, a, parodyto polikumo įtampą (>0), metalinis elektrodas įsikrauna teigiamai. Teigiamas metalinio elektrodo krūvis traukia neigiamus elektronus. Todėl paviriniame puslaidininkio sluoksnyje padidėja elektronų koncentracija. Kadangi elektrinis laukas iek tiek prasiskverbia ir į puslaidininkį, prie paviriaus jo energijos juostos ilinksta (12 pav., b). Didėjant veikiančiai įtampai, paviriniame sluoksnyje didėja pagrindinių krūvininkų elektronų koncentracija, ir didėja io sluoksnio elektrinis laidumas.
Puslaidininkio sluoksnio, į kurį prasiskverbia elektrinis laukas ir kuris pasiymi padidėjusiu laidumu, storį galima rasti sprendiant Puasono lygtį. Taip įrodoma, kad pavirinio sluoksnio potencialas ireikiamas formule:
; (6)
čia puslaidininkio potencialas, potencialo pokytis paviriniame puslaidininkio sluoksnyje, koordinatė (12 pav., a), Debajaus (Debye) ekranavimo nuotolis, ireikiamas formule
; (7)
čia puslaidininkio dielektrinė skvarba, elektronų koncentracija ().
I (6) ir (7) formulių aiku, kad Debajaus ekranavimo nuotolis ir padidėjusio laidumo sluoksnio storis priklauso nuo pagrindinių krūvininkų koncentracijos. Galima apskaičiuoti, kad priemaiiniuose puslaidininkiuose Debajaus ekranavimo nuotolis esti nanometrų eilės. Vadinasi, į priemaiinius puslaidininkius nagrinėjamos krypties elektrinis laukas įsiskverbia labai negiliai ir padidėjusio laidumo sluoksnis yra labai plonas. Dar svarbu pastebėti, kad io sluoksnio storis nepriklauso nuo įtampos.
Pakeitus iorinės įtampos polikumą (13 pav., a), metalinis elektrodas įsikrauna neigiamai. Jo neigiamas elektros krūvis stumia nuo puslaidininkio vidinio paviriaus pagrindinius krūvininkus elektronus. Maėjant pagrindinių krūvininkų koncentracijai, prie paviriaus susidaro nuskurdintasis sluoksnis. Kylant įtampai, jis storėja.
Kadangi nuskurdintajame sluoksnyje lieka nesukompensuoti donorų jonai, erdvinio krūvio tankis iame sluoksnyje ireikiamas formule . Atsivelgę į tai ir isprendę Puasono lygtį arba pasinaudoję (4.43) lygtimi, galime gauti, kad nuskurdintojo sluoksnio storis ireikiamas formule:
. (8)
Taikydami (8) formulę, galime įsitikinti, kad nuskurdintojo sluoksnio storis esti daug kartų didesnis u Debajaus ekranavimo nuotolį ir, didėjant iorinei įtampai, didėja.
Nuskurstant paviriniam puslaidininkio sluoksniui, jo laidumas maėja. Taip pat svarbu, kad neigiamas metalinio elektrodo krūvis traukia prie puslaidininkio paviriaus skyles ir, maėjant pagrindinių krūvininkų elektronų koncentracijai , didėja skylių koncentracija , nes . Kai skylių ir elektronų koncentracijos susilygina, pavirinis puslaidininkio laidumas tampa minimalus kaip grynojo puslaidininkio. Toliau kylant įtampai, didėjantis metalinio elektrodo neigiamas krūvis dar labiau stumia elektronus ir traukia skyles. Kai įtampa virija slenkstinę, skylių koncentracija tampa didesnė u elektronų koncentraciją ir prie puslaidininkio paviriaus susidaro inversinis skylinio laidumo sluoksnis. io sluoksnio storis apytikriai lygus Debajaus ekranavimo nuotoliui. Kylant įtampai, skylių koncentracija inversiniame sluoksnyje didėja, todėl didėja ir puslaidininkio pavirinis laidumas.
Puslaidininkio pavirinio laidumo priklausomybė nuo įtampos atvaizduota 14 paveiksle, a. Kai >0, kylant įtampai, paviriniame puslaidininkio sluoksnyje didėja pagrindinių krūvininkų koncentracija (12 pav., a), ir pavirinis laidumas didėja. Kai <0, kylant įtampai, paviriniame puslaidininkio sluoksnyje pagrindinių krūvininkų koncentracija ir jo laidumas maėja. Kai įtampa pasiekia slenkstinę, elektronų ir skylių koncentracijos susilygina. Po to, didėjant įtampai, pavirinis laidumas didėja, nes susidariusiame inversiniame sluoksnyje didėja skylių koncentracija.
Krūvininkų koncentracijos ir puslaidininkio pavirinio laidumo kitimas, kintant statmenam puslaidininkio paviriui elektriniam laukui, vadinamas lauko efektu, arba lauko reikiniu. Lauko efektu pagrįstas lauko tranzistorių veikimas.
MDP darinio, kaip kondensatoriaus, talpa priklauso nuo iorinės įtampos (14 pav., b). Kai veikia įtampa (12 pav., a), kuri praturtina pavirinį puslaidininkio sluoksnį, kondensatoriaus dielektriko vaidmenį atlieka dielektriko sluoksnis, kurio storis (15 pav., a).
Jeigu veikia įtampa (13 pav., a), kuri skurdina pavirinį puslaidininkio sluoksnį, dielektriko vaidmenį atlieka dielektriko sluoksnis kartu su nuskurdintuoju puslaidininkio sluoksniu, kurio storis (15 pav., b). Didėjant įtampai, nuskurdintasis sluoksnis storėja, didėja atstumas tarp kondensatoriaus elektrodų, ir MDP darinio talpa maėja. Susidarius inversiniam sluoksniui, tarp dielektriko sluoksnio ir nuskurdintojo sluoksnio atsiranda plonas laidus sluoksnis, ir MDP darinį galima nagrinėti kaip du nuosekliai sujungtus kondensatorius (15 pav., c). Atsiradus inversiniam sluoksniui ir kylant įtampai, didėja krūvininkų krūvis inversiniame sluoksnyje, elektrinis laukas nuskurdintajame sluoksnyje nebestiprėja, is sluoksnis nebesiplečia (), todėl MDP darinio talpa nebekinta.
Tenka pastebėti, kad 14 paveiksle, b, itisine linija
atvaizduotą MDP darinio voltfaradinę charakteristiką
eksperimentikai galima gauti, kai matavimo grandinėje kintamosios
įtampos danis yra pakankamai auktas (virija imtus kilohercų) ir
virpesių periodas trumpesnis u alutinių krūvininkų
gyvavimo trukmę. Jeigu danis emas, inversiniame sluoksnyje elektrinis
krūvis spėja kisti, veikiant kintamajai įtampos dedamajai. Tada
kintamasis elektrinis laukas į nuskurdintąjį sluoksnį
neprasiskverbia, ir MDP darinio talpą lemia dielektriko storis. Tuo atveju
gaunama MDP darinio voltfaradinė charakteristika, atvaizduota 14
paveiksle, b, brūknine linija.
Analogiki reikiniai gali vykti metalo, dielektriko ir p puslaidininkio dariniuose, tik atitinkami sluoksniai susidaro veikiant prieingo polikumo įtampoms. Bendra taisyklė tokia: praturtintasis sluoksnis susidaro, kai prie metalinio elektrodo prijungto įtampos poliaus enklas prieingas puslaidininkio pagrindinių krūvininkų krūvio enklui; nuskurdintasis ar inversinis sluoksnis susidaro, kai metalinio elektrodo elektros krūvis toks, kad jis stumia pagrindinius puslaidininkio krūvininkus ir traukia alutinius krūvininkus.
Kai puslaidininkis yra silicis, dielektriko vaidmenį MDP dariniuose daniausiai atlieka silicio dioksido SiO2 sluoksnis, sudaromas oksiduojant puslaidininkio pavirių. Todėl tokie dariniai vadinami MOP dariniais.
Pavirinius reikinius gali sukelti ne tik elektrinis laukas. Puslaidininkio kristalo paviriuje nutrūksta kristalinės gardelės periodikumas. Be to, kristalo pavirių veikia aplinka. Jis gali adsorbuoti kitų mediagų atomus.
J. Tamas (Тамм) dar 1933 metais įrodė, jog dėl to, kad kristalinė gardelė prie paviriaus nutrūksta, atsiranda pavirinės būsenos ir energijos lygmenys, kurių puslaidininkio tūryje nėra. Idealaus kristalo paviriniai lygmenys dabar vadinami Tamo lygmenimis. Realių kristalų paviriniai lygmenys susidaro dėl adsorbuotų atomų bei kristalinės gardelės defektų (vakansijų, dislokacijų). ie lygmenys gali atlikti donorų, akceptorių, elektronų ir skylių rekombinacijos ir prilipimo centrų vaidmenį. Todėl paviriniai lygmenys gali smarkiai pakeisti krūvininkų koncentraciją, judrumą ir pavirinio sluoksnio laidumą.
Sakykime, kad n puslaidininkyje yra donorinių lygmenų. Vidutinių temperatūrų srityje donorai yra jonizuoti. Donorų jonai paviriuje sudaro teigiamą krūvį (16 pav., a), kurio sukeltas elektrinis laukas traukia link paviriaus elektronus. Dėl elektrinio lauko energijos juostos prie kristalo paviriaus ilinksta. Padidėjus pagrindinių krūvininkų koncentracijai, padidėja pavirinio sluoksnio laidumas.
Kitokia yra akceptorių sukelto neigiamo pavirinio krūvio įtaka n puslaidininkiui (7.16 pav., b). Neigiamas krūvis stumia pagrindinius krūvininkus elektronus ir traukia alutinius krūvininkus skyles. Prie paviriaus energijos juostos ilinksta taip, kad energinis atstumas tarp laidumo juostos dugno ir Fermio lygmens padidėja. Paviriniam krūviui didėjant, elektronų koncentracija paviriniame sluoksnyje maėja, skylių koncentracija didėja, energijos juostos labiau ilinksta ir prie paviriaus gali net pasikeisti puslaidininkio laidumo tipas gali susidaryti inversinis p sluoksnis.
p puslaidininkio paviriuje susidaręs
neigiamas pavirinis krūvis padidina skylių koncentraciją
paviriniame puslaidininkio sluoksnyje. Teigiamas pavirinis krūvis
sukuria nuskurdintąjį ar net inversinį sluoksnį.
Paviriniai reikiniai gali pakeisti puslaidininkinių įtaisų savybes. Siekdami iliustruoti į teiginį, aptarkime pavirinį pn sandūros pramuimą.
Sakykime, kad pn sandūra yra staigi ir nesimetrinė. Jos p srityje akceptorinių priemaių koncentracija daug maesnė u donorinių priemaių koncentraciją n srityje. Tada pn sandūros storis p srityje daug didesnis u jos storį n srityje (17 pav., a). Susidarius puslaidininkio paviriuje neigiamam paviriniam krūviui, p srities paviriniame sluoksnyje padidėja skylių koncentracija, ir pn sandūros storis prie p srities paviriaus sumaėja (17 pav., b). n sričiai, kur priemaių koncentracija didelė, pavirinis krūvis neturi ymesnės įtakos.
Prie paviriaus sumaėjus pn sandūros storiui, ji pramuama, veikiant maesnei atgalinei įtampai. Pramuimas prasideda prie puslaidininkio paviriaus.
Paviriaus utertumo įtakos puslaidininkių savybėms ir pavirinių reikinių negalima pamirti kuriant ir gaminant integrinius grandynus ir kitus puslaidininkinius įtaisus.
Laisviesiems elektronams kietasis kūnas yra potencialo duobė. Vidutinis darbas A, kurį turi atlikti elektronas, itrūkdamas i metalo ar puslaidininkio bandinio, yra lygus ; čia yra toli nuo bandinio esančio ir nejudančio elektrono energija. Darbas A vadinamas termodinaminiu ilaisvinimo darbu.
Jeigu sandūra sudaroma tarp metalo ir n puslaidininkio ir elektronų ilaisvinimo i metalo darbas yra didesnis nei ilaisvinimo i puslaidininkio darbas tai elektronai i puslaidininkio, kuriame Fermio lygmuo auktesnis, teka į metalą. Iėjus elektronams, susidaro nuskurdęs puslaidininkio sluoksnis, pasiymintis didesne savitąja vara. Tarp puslaidininkyje likusių nesukompensuotų donorų jonų ir iėjusių į metalą elektronų susidaro vidinis elektrinis laukas, stabdantis elektronų judėjimą į metalą. Pusiausvyros sąlygomis metalo ir puslaidininkio Fermio lygmenys yra vienodi. Puslaidininkio sluoksnyje, kur veikia elektrinis laukas, energijos juostos ilinksta, ir kontakto tarp puslaidininkio ir metalo srityje susidaro potencialo barjeras, vadinamas otkio barjeru. Dėl juostų ilinkimo Fermio lygmuo priartėja prie puslaidininkio draudiamosios juostos vidurio arba net atsiduria emiau draudiamosios juostos vidurio. Taigi, kai metalo ir n puslaidininkio sandūroje susidaro nuskurdintasis didelės varos utvarinis sluoksnis arba net inversinis sluoksnis ir pn sandūra.
Metalo ir puslaidininkio sandūroje susidaręs utvarinis sluoksnis pasiymi ventilio savybėmis. Sandūros voltamperinės charakteristikos iraika sutampa su pn sandūros voltamperinės charakteristikos iraika. Tekant per metalo-puslaidininkio sandūrą su otkio barjeru tiesioginei srovei, nėra alutinių krūvininkų injekcijos ir kaupimo. Todėl puslaidininkiniai įtaisai, kuriuose panaudoti metalo-puslaidininkio kontaktai su otkio barjerais, pasiymi geromis daninėmis savybėmis ir didele veikimo sparta. Jeigu reikia nuslopinti ventilines metalo ir n puslaidininkio kontakto savybes ir gauti maos varos ominį kontaktą, puslaidininkio sluoksnis po kontaktu papildomai legiruojamas donorinėmis priemaiomis.
Jeigu elektrono ilaisvinimo i metalo darbas maesnis u elektrono ilaisvinimo i n puslaidininkio darbą (), sandūroje susidaro antiutvarinis puslaidininkio sluoksnis su padidinta pagrindinių krūvininkų koncentracija ir maa vara.
Metalo ir p puslaidininkio kontakte nuskurdęs arba net utvarinis sluoksnis susidaro, kai . Jeigu , sandūroje susidaro laidus praturtintasis sluoksnis.
MDP ir MOP darinių puslaidininkio pavirinį laidumą galima valdyti iorine įtampa. Kai prie MDP darinio metalinio elektrodo prijungiamas įtampos polius, kurio enklas prieingas puslaidininkio pagrindinių krūvininkų enklui, metalinis elektrodas traukia puslaidininkio pagrindinius krūvininkus. Tada prie puslaidininkio vidinio paviriaus padidėja pagrindinių krūvininkų koncentracija ir puslaidininkio pavirinio sluoksnio elektrinis laidumas. Veikiant prieingo polikumo iorinei įtampai, metalinio elektrodo krūvis stumia pagrindinius krūvininkus ir traukia alutinius krūvininkus. Tada prie vidinio puslaidininkio paviriaus susidaro maesnio laidumo nuskurdintasis sluoksnis. Kai įtampa pasiekia slenkstinę, skylių ir elektronų koncentracijos puslaidininkio paviriuje susilygina, o pavirinis puslaidininkio laidumas tampa minimalus. Dar padidėjus įtampai, susidaro inversinis sluoksnis. Toliau kylant įtampai, io sluoksnio laidumas didėja. Krūvininkų koncentracijos ir puslaidininkio pavirinio laidumo kitimas, kintant statmenam puslaidininkio paviriui elektriniam laukui, vadinamas lauko efektu.
MDP darinys yra savotikas kondensatorius. Jo dielektriko vaidmenį atlieka dielektriko sluoksnis kartu su puslaidininkio nuskurdintuoju sluoksniu. Nuskurdintojo sluoksnio storis priklauso nuo iorinės įtampos, todėl MDP darinio talpa taip pat priklauso nuo iorinės įtampos.
Kodėl svarbios metalo ir puslaidininkio sandūrų savybės?
Ką vadina termodinaminiu ilaisvinimo darbu?
Kokie procesai vyksta, sudarius metalo ir n puslaidininkio sandūrą, kai?
Sudarykite metalo ir n puslaidininkio energinę diagramą, kai .
Kai iorinė įtampa prijungiama prie metalo ir n puslaidininkio sandūros, kurioje yra utvarinis sluoksnis, ir puslaidininkio potencialas pakyla, visi jo energijos lygmenys (pakyla, nusileidia), pereinantieji i puslaidininkio į metalą elektronai sutinka (auktesnį, emesnį) potencialo barjerą. Todėl įtampa, kurios neigiamas polius prijungtas prie metalo, o teigiamas prie n puslaidininkio, yra (tiesioginė, atgalinė) metalo ir n puslaidininkio sandūros įtampa.
Jeigu tiesioginė metalo ir n puslaidininkio sandūros įtampa (sumaina, padidina) potencialo barjero auktį, (sumaina, padidina) nuskurdintojo sluoksnio storį ir turi įtakos elektronų srautui (i puslaidininkio į metalą, i metalo į puslaidininkį).
Kodėl, tekant tiesioginei srovei per otkio diodą, nesikaupia alutiniai krūvininkai?
Kokie procesai vyksta sudarius metalo ir n puslaidininkio sandūrą, kai?
Sudarykite metalo ir n puslaidininkio energinę diagramą, kai .
Kaip galima sudaryti maos varos ominį aliuminio ir n silicio kontaktą?
Metalo-puslaidininkio-metalo darinyje panaudotas puslaidininkio sluoksnis, kurio skersmuo 100 mm, storis 2 mm, savitoji vara 0,1 W m. Pirmojo metalo elektronų ilaisvinimo darbas 1,4 eV, puslaidininkio 1 eV, antrojo metalo 0,6 eV. Sudarę darinio energijos lygmenų diagramą, nusakykite jo elektrines savybes. Apskaičiuokite, kokia srovė 290 K temperatūroje tekėtų per darinį, prijungus prie pirmojo metalinio elektrodo 0,5 V teigiamą įtampą antrojo metalinio elektrodo atvilgiu, jeigu inoma, kad pakeitus įtampos polikumą teka 10 nA srovė.
Ats.: 6,1 mA.
Sudarykite nP darinio energijos lygmenų diagramą, kai puslaidininkių draudiamųjų juostų pločiai yra 0,7 ir 1,4 eV ir ir . Aptarkite potencialo barjerus sandūroje.
Sudarykite nN darinio energijos juostų diagramą, kai .
MOP darinyje panaudotas p puslaidininkis. Kokio polikumo įtampoms veikiant puslaidininkyje gali susidaryti praturtintasis, nuskurdintasis ir inversinis sluoksniai?
MOP darinyje panaudotas p puslaidininkis. Laikydami, kad elektronų ilaisvinimo darbai i metalo ir puslaidininkio vienodi, sudarykite io darinio energines diagramas, kai =0, <0 ir >0.
MOP darinio puslaidininkio nuskurdintojo sluoksnio storis priklauso nuo (metalinio elektrodo storio, iorinės įtampos, priemaių koncentracijos, per darinį tekančios srovės).
Pagrindinių krūvininkų koncentracija MOP darinio inversiniame sluoksnyje gali būti (nedidelė, labai didelė). Todėl inversinis sluoksnis (būna labai plonas, gali būti storas). Inversinio sluoksnio elektrinis laidumas (priklauso, nepriklauso) nuo iorinės įtampos.
Sudarykite MOP darinio ekvivalentinės grandinės schemą. Aptarkite nuo ko, kaip ir kodėl priklauso darinio talpa.
MOP darinyje panaudotas p silicio pagrindas, kuriame priemaių koncentracija 1016 cm3. Oksido sluoksnio storis 0,1 mm, santykinė dielektrinė skvarba 4. Apskaičiuokite darinio ploto vieneto talpą, kai =2 V, =1 Hz; =20 V, =1 Hz; =20 V, =1 MHz.
Ats.: 35; 35; 17,5 nF/cm2.
5_sk_r.doc 2001.017 13:26 2001.10.18 13:02 2001.11.10
Politica de confidentialitate | Termeni si conditii de utilizare |
Vizualizari: 1750
Importanta:
Termeni si conditii de utilizare | Contact
© SCRIGROUP 2024 . All rights reserved