Scrigroup - Documente si articole

     

HomeDocumenteUploadResurseAlte limbi doc
BulgaraCeha slovacaCroataEnglezaEstonaFinlandezaFranceza
GermanaItalianaLetonaLituanianaMaghiaraOlandezaPoloneza
SarbaSlovenaSpaniolaSuedezaTurcaUcraineana

įstatymaiįvairiųApskaitosArchitektūraBiografijaBiologijaBotanikaChemija
EkologijaEkonomikaElektraFinansaiFizinisGeografijaIstorijaKarjeros
KompiuteriaiKultūraLiteratūraMatematikaMedicinaPolitikaPrekybaPsichologija
ReceptusSociologijaTechnikaTeisėTurizmasValdymasšvietimas

ĮVAIRIALYTĖS SANDŪROS. MDP DARINIAI

elektra



+ Font mai mare | - Font mai mic



DOCUMENTE SIMILARE

ĮVAIRIALYTĖS SANDŪROS. MDP DARINIAI

Puslaidininkiniuose įtaisuose naudojamos vienalytės pn sandūros, įvairialytės pn sandūros, metalo-puslaidininkio, metalo-dielektriko-puslaidininkio (MDP), metalo-oksido-puslaidininkio (MOP) ir kiti dariniai. Šiame skyriuje apžvelgsime reiškinius įvairialyčių medžiagų sandūrose ir įvairialyčių kontaktų bei puslaidininkių paviršinių sluoksnių savybes. Kontaktiniai reiškiniai svarbūs, kai srovė teka statmena sandūroms kryptimi ir kerta sandūros pereinamąjį sluoksnį. Paviršiniai reiškiniai svarbūs, kai srovė teka paviršiniu sluoksniu – lygiagrečiai paviršiui.



1. Metalo-puslaidininkio sandūros

Metalo-puslaidininkio kontaktas buvo panaudotas pirmuosiuose puslaidininkiniuose dioduose. Dabar pasižyminčios vienakrypčiu laidumu metalo-puslaidininkio sandūros taikomos didelės veikimo spartos ir kituose puslaidininkiniuose įtaisuose. Be to, visuose puslaidininkiniuose įtaisuose reikalingi pasižymintieji maža varža ominiai metalo-puslaidininkio kontaktai.

Išnagrinėkime reiškinius metalo-puslaidininkio sandūrose ir išsiaiškinkime, kas lemia metalo-puslaidininkio sandūrų savybes.

1.1. Elektronų išlaisvinimo darbas

Metalo-puslaidininkio sandūrų savybės priklauso nuo elektrono išlaisvinimo darbo iš metalo, išlaisvinimo darbo iš puslaidininkio ir kitų puslaidininkio savybių.

Metale laisvąjį elektroną veikia aplinkiniai krūviai, tačiau atstojamoji jėga praktiškai lygi nuliui. Jei elektronas tolsta nuo metalo bandinio, šiame bandinyje lieka nesukompensuotas teigiamas jonas ir atsiranda elektrinės traukos jėga, trukdanti elektronui nutolti (1 pav., a). Dėl šios jėgos veikimo ištrūkdamas iš 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 užimtų vakuume toli nuo bandinio esantis nejudantis elektronas. Išlėkdamas iš metalo, elektronas turi įveikti išlaisvinimo barjerą, kurio aukštis priklauso nuo to, kokį energijos lygmenį užima tas elektronas. Vidutinis darbas , kurį turi atlikti elektronas ištrūkdamas iš metalo, yra lygus energiniam atstumui tarp Fermio lygmens ir nulinio energijos lygmens. Jis vadinamas termodinaminiu išlaisvinimo darbu, arba tiesiog išlaisvinimo darbu.

Puslaidininkio bandinio elektronai taip pat yra potencialo duobėje (1 pav., c). Neišsigimusio puslaidininkio Fermio lygmuo yra drau­džiamojoje juostoje. Energija, kurios reikia, kad iš puslaidininkio bandinio išlėktų elektronas, esantis laidumo juostos dugne, yra vadinama elektroniniu giminiškumu. Tačiau iš puslaidininkio bandinio gali išlėkti arba laidumo, arba valentinės juostos elektronai. Taigi išlaisvinimo darbas skiriasi nuo elektroninio giminiškumo. Laidumo juostos elektronas sutinka žemesnį potencialo barjerą nei valentinės juostos elektronas. Tačiau valentinėje juostoje yra daugiau elektronų nei laidumo juostoje. Išsamesnė analizė rodo, kad elektronų, ištrūkstančių iš puslaidininkio valentinės ir laidumo juostų, santykis yra toks, kad vidutinis darbas, kurį turi atlikti išlekiantis elektronas, taip pat lygus energiniam atstumui tarp nulinio energijos lygmens ir Fermio lygmens. Taigi .

1.2. Reiškiniai metalo ir puslaidininkio sandūrose

Pradžioje aptarkime metalo ir n puslaidininkio sandūrą tuo atveju, kai elektrono išlaisvinimo iš metalo darbas darbas didesnis už elektrono išlaisvinimo iš puslaidininkio darbą . 2 paveiksle atvaizduoti dar nesujungti metalo ir puslaidininkio bandiniai ir jų energijos lygmenų diagramos. Kadangi >, tai puslaidininkio Fermio lygmuo aukštesnis už metalo Fermio lygmenį.


Sujungus badinius (3 pav.), elektronai iš puslaidininkio, kuriame Fermio lygmuo aukštesnis, pereina į metalą, kur Fermio lygmuo žemesnis. Ištrūkus iš puslaidininkio elektronams, sandūroje susidaro nuskurdintasis puslaidininkio sluoksnis, pasižymintis didesne savitąja varža. Šiame 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. Už sluoksnio, kuriame veikia elektrinis laukas, ribų metalo ir puslaidininkio energijos lygmenų padėtis Fermio lygmens atžvilgiu lieka nepakitusi. Puslaidininkio sluoksnyje, kur veikia elektrinis laukas, energijos juostos išlinksta, ir kontakto srityje tarp puslaidininkio ir metalo susidaro potencialo barjeras, kurio aukštis ; čia – kontaktinis potencialo skirtumas tarp puslaidininkio ir metalo.

Dėl energijos juostų išlinkimo pereinamajame sluoksnyje padidėja nuotolis tarp lygmenų ir . Fermio lygmuo priartėja prie draudžiamosios juostos vidurio (3 pav.). Nesunku įsitikinti, kad, esant didesniam išlaisvinimo darbų skirtumui, energijos juostos tiek išlinktų, kad Fermio lygmuo prie kontakto atsidurtų žemiau draudžiamosios juostos vidurio. Tada kontakto srityje susidarytų inversinis sluoksnis, kuriame skylių koncentracija būtų didesnė už 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 varžos sluoksnis, vadinamas užtvariniu sluoksniu arba net inversinis skylinio laidumo puslaidininkio sluoksnis ir pn sandūra.

Jeigu elektrono išlaisvini­mo iš metalo darbas mažesnis už elektrono išlaisvinimo iš n puslaidininkio darbą, sudarius metalo-puslaidininkio sandūrą, elektronai iš 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.

1.3. Metalo-puslaidininkio sandūrų savybės

Metalo-puslaidininkio sandūroje susidaręs užtvarinis sluoksnis pasižymi ventilio savybėmis. Paprasčiausią tokios sandūros teoriją 1938 metais sukūrė V. Šotkis (Schottky). Užtvariniame sluoksnyje susidarantis potencialo barjeras dabar vadinamas Šotkio barjeru.

Kai išorinė įtampa neveikia, įveikiantieji potencialo barjerą elektronai, sukuria nedidelį srautą iš puslaidininkio į metalą (5 pav.). Dėl vidinio elektrinio lauko susikuria dreifinis elektronų srautas iš 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 išorinė įtampa, kurios teigiamas polius prijungtas prie n srities, o neigiamas polius – prie metalo, tai puslaidininkio potencialas pakyla, jame esančių elektronų potencinė energija sumažėja, ir puslaidininkio energijos lygme­nys pasislenka žemyn (6 pav.). Išorinė įtampa krinta didelės varžos nuskurdintajame sluoksnyje, ir aukštis poten­cialo barjero, kurį sutinka elektronai, pereinantieji iš puslaidininkio į metalą, padi­dėja. Taigi aptariamo poliš­kumo įtampa yra atgalinė įtampa. Pradėjus veikti išorinei įtampai, aukštis barjero, kurį sutinka elektronai, judėdami iš metalo į puslaidininkį, nepakinta. Todėl susilpnėjus elektronų srautui iš puslaidininkio į metalą, per sandūrą teka tik silpnas srautas iš metalo į puslaidininkį. (6 pav., a).

5.7 pav. Metalo ir puslaidininkio darinys su užtvariniu sluoksniu, veikiant tiesioginei įtampai

 
Jeigu prie sandūros prijungiama tiesioginė įtampa, puslaidininkio potencialas metalo atžvilgiu sumažėja, puslaidininkio srities elektronų potencinė energija padidėja, ir puslaidininkio energijos lygmenys pakyla (7 pav.). Mažėjant aukščiui potencialo barjero, kurį sutinka elektronai, pereinantieji iš puslaidininkio į metalą, eksponentiškai stiprėja elektronų iš puslaidininkio į metalą srautas.

Įrodoma, kad srovės, tekančios per metalo-puslaidininkio sandūros užtvarinį sluoksnį, stiprio priklausomybė nuo įtampos išreiškiama formule:

; (1)

čia , – sandūros plotas.

Ši išraiška sutampa su idealios pn sandūros voltamperinės charakteristikos išraiška. Ir vis dėlto kai kurie reiškiniai metalo-puslaidininkio sandūroje iš esmės skiriasi nuo reiškinių pn sandūros aplinkoje. Labai svarbu tai, kad, tekant per metalo ir puslaidininkio sandūros užtvarinį sluoksnį tiesioginei srovei, nevyksta šalutinių krūvininkų injekcija ir kaupimas. Perėję iš n puslaidininkio į metalą elektronai lieka pagrindiniais krūvininkais. Ši aplinkybė lemia geras metalo-puslaidininkio sandūros dažnines savybes, didelę veikimo spartą ir taikymą mikrobangų įtaisuose.

Dar svarbu pastebėti, kad metalo-puslaidininkio sandūros slenkstinė įtampa, kuriai veikiant sandūra atsiveria, yra mažesnė nei pn sandūrų slenkstinės įtampos.

Metalo-puslaidininkio sandūros su Šotkio barjerais dažnai taikomos puslaidininkiniuose įtaisuose. Kita vertus, tenka pastebėti, kad dėl metalo-puslaidininkio sandūrų savybių kyla keblumų, kuriant puslaidininkinius įtaisus. Reikalas tas, kad puslaidininkio ir metalinių išvadų kontaktai turi būti ominiai – jų varžos turi būti mažos, o voltamperinės charakteristikos tiesinės.

Kai >, siekiant sumažinti metalo ir n puslaidininkio kontakto srityje susidarantį užtvarinį barjerą, puslaidininkio sluoksnis po kontaktu papildomai legiruojamas donorinėmis priemaišomis. Tokio kontakto sandara ir energijos lygmenų diagrama atvaizduotos 8 paveiksle. Iš energijos lygmenų diagramos matyti, kad, sudarius n+ sluoksnį, galima pasiekti, kad pereinantieji iš n puslaidininkio į metalą elektronai nesutiktų barjero.

Silicio integrinių grandynų elementų jungiamieji laidinin­kai – laidieji takeliai – dažnai daromi iš aliuminio. Aliuminis, kaip žinome, yra akceptorinė priemaiša. 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 priemaišomis sluoksnis, pasižymintis dideliu laidumu, ir gaunamas geras ominis kontaktas.

Prasiskverbus aliuminio atomams į n sritį, galėtų susidaryti didesnės varžos sluoksnis, kuriame efektinė donorinių priemaišų koncentracija mažesnė, arba net p laidumo sritis ir pn sandūra. Siekiant to išvengti, n sritis po būsimuoju silicio kontaktu su aliuminio išvadu papildomai legiruojama donorinėmis priemaišomis, kurių koncentracija gerokai viršija maksimalų aliuminio tirpumą silicyje. Susidaręs n sluoksnis pasižymi išsigimusio puslaidininkio – pusmetalio – savybėmis. Jo laidumas lieka didelis net į jį prasiskverbus aliuminio atomams.

1 užduotis

Sandūra sudaryta tarp metalo ir n puslaidininkio. Elektronų išlaisvinimo iš metalo darbas – 1,4 eV, išlaisvinimo iš 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 poliškumą?

Sprendimas

Kadangi elektronų išlaisvinimo iš n puslaidininkio darbas mažesnis nei išlaisvinimo iš metalo darbas, sandūroje susidaro Šotkio barjeras ir jos voltamperinė charakteristika išreiškiama (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 poliškumą, galime rasti pagal (1) formulę:

.

2. Įvairialytės sandūros

Yra puslaidininkių, kurių kristalinių gardelių konstantos beveik vienodos ir kurių kristalizacija vyksta panašiai. Tada jie gali būti auginami vienas ant kito ir sudaryti vieną kristalą. Tačiau skirtingų puslaidininkinių medžiagų sandūroje kinta draudžiamosios juostos plotis, elektroninis giminiškumas, elektronų išlaisvinimo darbas, dielektrinė skvarba ir kitos medžiagų savybės. Tarp tokių medžiagų susidaro įvairialytės sandūros, arba heterosandūros.

Kiekvienas įvairialytės sandūros puslaidininkis gali būti legiruotas donorinėmis ar akceptorinėmis priemaišomis. Todėl galimi keturi įvairialyčių sandūrų tipai: nN, pP, nP ir pN. Čia didžiosios raidės žymi platesnės draudžiamosios juostos, mažosios – siauresnės draudžiamosios juostos puslaidininkį.


Imkime GaAs ir GaAlAs. GaAs draudžiamosios juostos plotis mažesnis, elektroninis giminiškumas didesnis. 9 paveiksle atvaizduotos N, n bandinių ir Nn darinio energijos lygmenų diagramos. Kaip matyti iš 9 paveikslo, b, Nn sandūroje elektronams gali susidaryti potencialo barjeras, ir gali reikštis staigios Nn sandūros voltamperinės charakteristikos netiesiškumas. Tačiau praktikoje GaAs-GaAlAs sandūroje susidaro ominis kontaktas, nes sandūra dažniausiai nebūna idealiai staigi. Gi, jeigu yra pereinamasis GaAs-GaAlAs sluoksnis, kuriame kinta aliuminio koncentracija, energijos lygmenys sandūroje kinta nuosekliai, be trūkių, kaip atvaizduota brūkšnine linija (9 pav., b).

Np sandūros juostinis modelis panašus 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 aukščio.

Įvairialyčių sandūrų eksperimentines voltamperines charak­teristikas galima aproksimuoti išraiška:

; (2)

čia – soties srovė; – koeficientas, priklausomas nuo sandūros tipo ir temperatūros (1<<3).


Kadangi potencialo barjerų aukščiai elektronams ir skylėms nevienodi, tiesioginę įvairialytės sandūros srovę lemia krūvininkai, kuriems potencialo barjero aukštis mažesnis. Kai potencialo barjeras žemesnis elektronams, jų injekcijos iš N srities į p sritį efektyvumas išreiškiamas 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 priemaišų 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 draudžiamųjų juostų pločiai; h – Planko konstanta.

GaAs ir Ga0,7Al0,3As (čia trupmenos žymi galio ir aliuminio atomų skaičiaus ir visų trivalenčių atomų skaičiaus santykį) draudžiamųjų 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 aukščiai, o ne darinio sričių legiravimas.

Įvairialytės sandūros naudojamos mikrobangų, optinės elektronikos ir kituose puslaidininkiniuose įtaisuose.

3. MDP dariniai

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 išvadai, kuriais prie MDP darinio gali būti prijungta išorinė įtampa, o. puslaidininkis yra n tipo. Dar, kad būtų paprasčiau išsiaiškinti reiškinių MDP darinyje esminius bruožus, tarkime, kad elektrono išlaisvinimo darbas iš metalo toks pat kaip elektrono išlaisvinimo iš puslaidininkio darbas.

11 paveiksle, b, atvaizduota MDP darinio energijos lygmenų diagrama, kai išorinė įtampa neprijungta. Dielektriko sluoksnio draudžiamoji juosta – plati ( yra dielektriko laidumo juostos dugnas), todėl metalo ir puslaidininkio elektronus skiria aukštas potencialo barjeras, ir MDP darinys yra savotiškas kondensatorius.

Prijungta prie MDP darinio išorinė įtampa krinta dielektriko sluoksnyje ir paviršiniame puslaidininkio sluoksnyje. Pradėjus veikti išorinei įtampai atsiradęs elektrinis laukas gali pakeisti šalia dielektriko esančio puslaidininkio paviršinio sluoksnio laidumą – gali susidaryti praturtintasis, nuskurdintasis ar net inversinis pus­laidininkio sluoksnis.

Prijungus prie MDP darinio 12 paveiksle, a, parodyto poliškumo įtampą (>0), metalinis elektrodas įsikrauna teigiamai. Teigiamas metalinio elektrodo krūvis traukia neigiamus elektronus. Todėl paviršiniame puslaidininkio sluoksnyje padidėja elektronų koncentracija. Kadangi elektrinis laukas šiek tiek prasiskverbia ir į puslaidininkį, prie paviršiaus jo energijos juostos išlinksta (12 pav., b). Didėjant veikian­čiai įtampai, paviršiniame sluoks­nyje didėja pagrindinių krūvinin­kų – elektronų – koncentracija, ir didėja šio sluoksnio elektrinis laidumas.

Puslaidininkio sluoksnio, į kurį prasiskverbia elektrinis laukas ir kuris pasižymi padi­dėjusiu laidumu, storį galima rasti sprendžiant Puasono lygtį. Taip įrodoma, kad paviršinio sluoksnio potencialas išreiškiamas formule:

; (6)

čia – puslaidininkio potencialas, – potencialo pokytis paviršiniame puslaidininkio sluoksnyje, – koordinatė (12 pav., a), – Debajaus (Debye) ekranavimo nuotolis, išreiškiamas formule


; (7)

čia – puslaidininkio dielektrinė skvarba, – elektronų koncentracija ().

Iš (6) ir (7) formulių aišku, kad Debajaus ekranavimo nuotolis ir padidėjusio laidumo sluoksnio storis priklauso nuo pagrindinių krūvininkų koncentracijos. Galima apskaičiuoti, kad priemaišiniuose puslaidininkiuose Debajaus ekranavimo nuotolis esti nanometrų eilės. Vadinasi, į priemaišinius puslaidininkius nagrinėjamos krypties elektrinis laukas įsiskverbia labai negiliai ir padidėjusio laidumo sluoksnis yra labai plonas. Dar svarbu pastebėti, kad šio sluoksnio storis nepriklauso nuo įtampos.

Pakeitus išorinės įtampos poliškumą (13 pav., a), metalinis elektrodas įsikrauna neigiamai. Jo neigiamas elektros krūvis stumia nuo puslaidininkio vidinio paviršiaus pagrindinius krūvininkus – elektronus. Mažėjant pagrindinių krūvininkų koncentracijai, prie paviršiaus susidaro nuskurdintasis sluoksnis. Kylant įtampai, jis storėja.

Kadangi nuskurdintajame sluoksnyje lieka nesukompensuoti donorų jonai, erdvinio krūvio tankis šiame sluoksnyje išreiškiamas formule . Atsižvelgę į tai ir išsprendę Puasono lygtį arba pasinaudoję (4.43) lygtimi, galime gauti, kad nuskurdintojo sluoksnio storis išreiškiamas formule:

. (8)

Taikydami (8) formulę, galime įsitikinti, kad nuskurdintojo sluoksnio storis esti daug kartų didesnis už Debajaus ekranavimo nuotolį ir, didėjant išorinei įtampai, didėja.

Nuskurstant paviršiniam puslaidininkio sluoksniui, jo laidumas mažėja. Taip pat svarbu, kad neigiamas metalinio elektrodo krūvis traukia prie puslaidininkio paviršiaus skyles ir, mažėjant pagrindinių krūvininkų – elektronų – koncentracijai , didėja skylių koncentracija , nes . Kai skylių ir elektronų koncentracijos susilygina, paviršinis puslaidininkio laidumas tampa minimalus – kaip grynojo puslaidininkio. Toliau kylant įtampai, didėjantis metalinio elektrodo neigiamas krūvis dar labiau stumia elektronus ir traukia skyles. Kai įtampa viršija slenkstinę, skylių koncentracija tampa didesnė už elektronų koncentraciją ir prie pus­laidininkio paviršiaus susidaro inversinis skylinio laidumo sluoksnis. Šio sluoksnio storis apytikriai lygus Debajaus ekranavimo nuotoliui. Kylant įtampai, skylių koncentracija inversiniame sluoksnyje didėja, todėl didėja ir puslaidininkio paviršinis laidumas.

Puslaidininkio paviršinio laidumo priklausomybė nuo įtampos atvaizduota 14 paveiksle, a. Kai >0, kylant įtampai, paviršiniame puslai­dininkio sluoksnyje didėja pagrindinių krūvininkų koncentracija (12 pav., a), ir paviršinis laidumas didėja. Kai <0, kylant įtampai, paviršiniame puslaidi­ninkio sluoksnyje pagrindinių krūvininkų koncentracija ir jo laidumas mažėja. Kai įtampa pasiekia slenkstinę, elektronų ir skylių koncentracijos susilygina. Po to, didėjant įtampai, paviršinis laidumas didėja, nes susidariusiame inversiniame sluoksnyje didėja skylių koncentracija.

Krūvininkų koncentracijos ir puslaidininkio paviršinio laidumo kitimas, kintant statmenam puslaidininkio paviršiui elektriniam laukui, vadinamas lauko efektu, arba lauko reiškiniu. Lauko efektu pagrįstas lauko tranzistorių veikimas.

MDP darinio, kaip kondensatoriaus, talpa priklauso nuo išorinės įtampos (14 pav., b). Kai veikia įtampa (12 pav., a), kuri praturtina paviršinį puslaidininkio sluoksnį, kondensatoriaus dielektriko vaidmenį atlieka dielektriko sluoksnis, kurio storis (15 pav., a).

Jeigu veikia įtampa (13 pav., a), kuri skurdina paviršinį 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 mažėja. 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, šis sluoksnis nebesiplečia (), todėl MDP darinio talpa nebekinta.


Tenka pastebėti, kad 14 paveiksle, b, ištisine linija atvaizduotą MDP darinio voltfaradinę charakteristiką eksperimentiškai galima gauti, kai matavimo grandinėje kintamosios įtampos dažnis yra pakankamai aukštas (viršija šimtus kilohercų) ir virpesių periodas trumpesnis už šalutinių krūvininkų gyvavimo trukmę. Jeigu dažnis žemas, 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, brūkšnine linija.

Analogiški reiškiniai gali vykti metalo, dielektriko ir p puslaidininkio dariniuose, tik atitinkami sluoksniai susidaro veikiant priešingo poliškumo įtampoms. Bendra taisyklė tokia: praturtintasis sluoksnis susidaro, kai prie metalinio elektrodo prijungto įtampos poliaus ženklas priešingas puslaidininkio pagrindinių krūvininkų krūvio ženklui; nuskurdintasis ar inversinis sluoksnis susidaro, kai metalinio elektrodo elektros krūvis toks, kad jis stumia pagrindinius puslaidininkio krūvininkus ir traukia šalutinius krūvininkus.

Kai puslaidininkis yra silicis, dielektriko vaidmenį MDP dariniuose dažniausiai atlieka silicio dioksido SiO2 sluoksnis, sudaromas oksiduojant puslaidininkio paviršių. Todėl tokie dariniai vadinami MOP dariniais.

4. Paviršiniai reiškiniai

Paviršinius reiškinius gali sukelti ne tik elektrinis laukas. Puslaidininkio kristalo paviršiuje nutrūksta kristalinės gardelės periodiškumas. Be to, kristalo paviršių veikia aplinka. Jis gali adsorbuoti kitų medžiagų atomus.

J. Tamas (Тамм) dar 1933 metais įrodė, jog dėl to, kad kristalinė gardelė prie paviršiaus nutrūksta, atsiranda paviršinės būsenos ir energijos lygmenys, kurių puslaidininkio tūryje nėra. Idealaus kristalo paviršiniai lygmenys dabar vadinami Tamo lygmenimis. Realių kristalų paviršiniai lygmenys susidaro dėl adsorbuotų atomų bei kristalinės gardelės defektų (vakansijų, dislokacijų). Šie lygmenys gali atlikti donorų, akceptorių, elektronų ir skylių rekombinacijos ir prilipimo centrų vaidmenį. Todėl paviršiniai lygmenys gali smarkiai pakeisti krūvininkų koncentraciją, judrumą ir paviršinio sluoksnio laidumą.

Sakykime, kad n puslaidininkyje yra donorinių lygmenų. Vidutinių temperatūrų srityje donorai yra jonizuoti. Donorų jonai paviršiuje sudaro teigiamą krūvį (16 pav., a), kurio sukeltas elektrinis laukas traukia link paviršiaus elektronus. Dėl elektrinio lauko energijos juostos prie kristalo paviršiaus išlinksta. Padidėjus pagrindinių krūvininkų koncentracijai, padidėja paviršinio sluoksnio laidumas.

Kitokia yra akceptorių sukelto neigiamo paviršinio krūvio įtaka n puslaidininkiui (7.16 pav., b). Neigiamas krūvis stumia pagrindinius krūvininkus – elektronus – ir traukia šalutinius krūvininkus – skyles. Prie paviršiaus energijos juostos išlinksta taip, kad energinis atstumas tarp laidumo juostos dugno ir Fermio lygmens padidėja. Paviršiniam krūviui didėjant, elektronų koncentracija paviršiniame sluoksnyje mažėja, skylių koncentracija didėja, energijos juostos labiau išlinksta ir prie paviršiaus gali net pasikeisti puslaidininkio laidumo tipas – gali susidaryti inversinis p sluoksnis.


p puslaidininkio paviršiuje susi­daręs neigiamas paviršinis krūvis padi­dina skylių koncentraciją paviršiniame puslaidininkio sluoksnyje. Teigiamas paviršinis krūvis sukuria nuskurdintąjį ar net inversinį sluoksnį.

Paviršiniai reiškiniai gali pakeisti puslaidininkinių įtaisų savybes. Siek­dami iliustruoti šį teiginį, aptarkime paviršinį pn sandūros pramušimą.

Sakykime, kad pn sandūra yra staigi ir nesimetrinė. Jos p srityje akceptorinių priemaišų koncentracija daug mažesnė už donorinių priemaišų koncentraciją n srityje. Tada pn sandūros storis p srityje daug didesnis už jos storį n srityje (17 pav., a). Susidarius puslaidininkio paviršiuje neigiamam paviršiniam krūviui, p srities paviršiniame sluoksnyje padidėja skylių koncentracija, ir pn sandūros storis prie p srities paviršiaus sumažėja (17 pav., b). n sričiai, kur priemaišų koncentracija didelė, paviršinis krūvis neturi žymesnės įtakos.

Prie paviršiaus sumažėjus pn sandūros storiui, ji pramušama, veikiant mažesnei atgalinei įtampai. Pramušimas prasideda prie puslaidininkio paviršiaus.

Paviršiaus užterštumo įtakos puslaidininkių savybėms ir paviršinių reiškinių negalima pamiršti kuriant ir gaminant integrinius grandynus ir kitus puslaidininkinius įtaisus.

Išvados

Laisviesiems elektronams kietasis kūnas yra potencialo duobė. Vidutinis darbas A, kurį turi atlikti elektronas, ištrūkdamas iš metalo ar puslaidininkio bandinio, yra lygus ; čia yra toli nuo bandinio esančio ir nejudančio elektrono energija. Darbas A vadinamas termodinaminiu išlaisvinimo darbu.

Jeigu sandūra sudaroma tarp metalo ir n puslaidininkio ir elektronų išlaisvinimo iš metalo darbas yra didesnis nei išlaisvinimo iš puslaidininkio darbas tai elektronai iš puslaidininkio, kuriame Fermio lygmuo aukštesnis, teka į metalą. Išėjus elektronams, susidaro nuskurdęs puslaidininkio sluoksnis, pasižymintis didesne savitąja varža. Tarp puslaidininkyje likusių nesukompensuotų donorų jonų ir išėjusių 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 išlinksta, ir kontakto tarp puslaidininkio ir metalo srityje susidaro potencialo barjeras, vadinamas Šotkio barjeru. Dėl juostų išlinkimo Fermio lygmuo priartėja prie puslaidininkio draudžiamosios juostos vidurio arba net atsiduria žemiau draudžiamosios juostos vidurio. Taigi, kai metalo ir n puslaidininkio sandūroje susidaro nuskurdintasis didelės varžos užtvarinis sluoksnis arba net inversinis sluoksnis ir pn sandūra.

Metalo ir puslaidininkio sandūroje susidaręs užtvarinis sluoksnis pasižymi ventilio savybėmis. Sandūros voltamperinės charak­teristikos išraiška sutampa su pn sandūros voltamperinės charakteristikos išraiška. Tekant per metalo-puslaidininkio sandūrą su Šotkio barjeru tiesioginei srovei, nėra šalutinių krūvininkų injekcijos ir kaupimo. Todėl puslaidininkiniai įtaisai, kuriuose panaudoti metalo-puslaidininkio kontaktai su Šotkio barjerais, pasižymi geromis dažninėmis savybėmis ir didele veikimo sparta. Jeigu reikia nuslopinti ventilines metalo ir n puslaidininkio kontakto savybes ir gauti mažos varžos ominį kontaktą, puslaidininkio sluoksnis po kontaktu papildomai legiruojamas donorinėmis priemaišomis.

Jeigu elektrono išlaisvinimo iš metalo darbas mažesnis už elektrono išlaisvinimo iš n puslaidininkio darbą (), sandūroje susidaro antiužtvarinis puslaidininkio sluoksnis su padidinta pagrindinių krūvininkų koncentracija ir maža varža.

Metalo ir p puslaidininkio kontakte nuskurdęs arba net užtvarinis sluoksnis susidaro, kai . Jeigu , sandūroje susidaro laidus praturtintasis sluoksnis.

MDP ir MOP darinių puslaidininkio paviršinį laidumą galima valdyti išorine įtampa. Kai prie MDP darinio metalinio elektrodo prijungiamas įtampos polius, kurio ženklas priešingas puslaidininkio pagrindinių krūvininkų ženklui, metalinis elektrodas traukia puslaidininkio pagrindinius krūvininkus. Tada prie puslaidininkio vidinio paviršiaus padidėja pagrindinių krūvininkų koncentracija ir puslaidininkio paviršinio sluoksnio elektrinis laidumas. Veikiant priešingo poliškumo išorinei įtampai, metalinio elektrodo krūvis stumia pagrindinius krūvininkus ir traukia šalutinius krūvininkus. Tada prie vidinio puslaidininkio paviršiaus susidaro mažesnio laidumo nu­skurdintasis sluoksnis. Kai įtampa pasiekia slenkstinę, skylių ir elektronų koncentracijos puslaidininkio paviršiuje susilygina, o paviršinis puslaidininkio laidumas tampa minimalus. Dar padidėjus įtampai, susidaro inversinis sluoksnis. Toliau kylant įtampai, šio sluoksnio laidumas didėja. Krūvininkų koncentracijos ir puslaidininkio paviršinio laidumo kitimas, kintant statmenam puslaidininkio paviršiui elektriniam laukui, vadinamas lauko efektu.

MDP darinys yra savotiškas kondensatorius. Jo dielektriko vaidmenį atlieka dielektriko sluoksnis kartu su puslaidininkio nuskurdintuoju sluoksniu. Nuskurdintojo sluoksnio storis priklau­so nuo išorinės įtampos, todėl MDP darinio talpa taip pat priklauso nuo išorinės įtampos.

6. Kontroliniai klausimai ir užduotys

Kodėl svarbios metalo ir puslaidininkio sandūrų savybės?

Ką vadina termodinaminiu išlaisvinimo darbu?

Kokie procesai vyksta, sudarius metalo ir n puslaidininkio sandūrą, kai?

Sudarykite metalo ir n puslaidininkio energinę diagramą, kai .

Kai išorinė įtampa prijungiama prie metalo ir n puslaidininkio sandūros, kurioje yra užtvarinis sluoksnis, ir puslaidininkio potencialas pakyla, visi jo energijos lygmenys (pakyla, nusileidžia), pereinantieji iš puslaidininkio į metalą elektronai sutinka (aukštesnį, žemesnį) 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 (sumažina, padidina) potencialo barjero aukštį, (sumažina, padidina) nuskurdintojo sluoksnio storį ir turi įtakos elektronų srautui (iš puslaidininkio į metalą, iš metalo į puslaidininkį).

Kodėl, tekant tiesioginei srovei per Šotkio diodą, nesikaupia šalutiniai krūvininkai?

Kokie procesai vyksta sudarius metalo ir n puslaidininkio sandūrą, kai?

Sudarykite metalo ir n puslaidininkio energinę diagramą, kai .

Kaip galima sudaryti mažos varžos ominį aliuminio ir n silicio kontaktą?

Metalo-puslaidininkio-metalo darinyje panaudotas puslaidininkio sluoksnis, kurio skersmuo – 100 mm, storis – 2 mm, savitoji varža – 0,1 W m. Pirmojo metalo elektronų išlaisvinimo 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 atžvilgiu, jeigu žinoma, kad pakeitus įtampos poliškumą teka 10 nA srovė.

Ats.: 6,1 mA.

Sudarykite nP darinio energijos lygmenų diagramą, kai puslaidininkių draudžiamųjų 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 poliškumo įtampoms veikiant puslaidininkyje gali susidaryti praturtintasis, nuskurdintasis ir inversinis sluoksniai?

MOP darinyje panaudotas p puslaidininkis. Laikydami, kad elektronų išlaisvinimo darbai iš metalo ir puslaidininkio vienodi, sudarykite šio darinio energines diagramas, kai =0, <0 ir >0.

MOP darinio puslaidininkio nuskurdintojo sluoksnio storis priklauso nuo (metalinio elektrodo storio, išorinės įtampos, priemaišų 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 išorinės įtampos.

Sudarykite MOP darinio ekvivalentinės grandinės schemą. Aptarkite nuo ko, kaip ir kodėl priklauso darinio talpa.

MOP darinyje panaudotas p silicio pagrindas, kuriame priemaišų kon­centracija – 1016 cm–3. 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



DISTRIBUIE DOCUMENTUL

Comentarii


Vizualizari: 1750
Importanta: rank

Comenteaza documentul:

Te rugam sa te autentifici sau sa iti faci cont pentru a putea comenta

Creaza cont nou

Termeni si conditii de utilizare | Contact
© SCRIGROUP 2024 . All rights reserved