Электрический переход в полупроводнике – это граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых существенно различаются. Эти области могут быть образованы различными типами радиоматериалов в совокупности с полупроводником. В связи с этим, в современной электронике применяются несколько типов электрических переходов.
Первый тип электрических переходов – это переходы между двумя областями полупроводника с различными типами электропроводности, которые называются электронно-дырочными или p-n – переходами.
Если концентрация донорной и акцепторной примесей примерно равны, то и концентрация дырок в области полупроводника p-типа равна концентрации электронов в области полупроводника n-типа, т.е. pp≈nn. В этом случае переход называется симметричным (рисунок 1).
Рисунок 1 – Симметричный электронно-дырочный переход
Если же концентрации донорной и акцепторной примесей существенным образом отличаются, то отличаются и концентрации основных носителей заряда в областях полупроводника p-типа и n-типа, т.е. pp>nn (рисунок 2) или pp<nn (рисунок 3). В этом случае переход называется несимметричным. При этом область полупроводника с большей концентрацией основных носителей заряда называется эмиттером, а другая область называется базой.
Рисунок 2 – Несимметричный электронно-дырочный переход (с большей концентрацией доноров)
Рисунок 3 – Несимметричный электронно-дырочный переход (с большей концентрацией акцепторов)
Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании свойств одного или нескольких p-n–переходов. При изготовлении полупроводниковых приборов, как правило, используются несимметричные электронно-дырочные переходы. В зависимости от характера изменений концентрации примесей на границе различают ступенчатый и плавный p-n–переходы. В ступенчатом переходе изменение концентрации имеет скачкообразный характер, а в плавном переходе - равномерное.
Второй тип электрических переходов это электронно-дырочный переход, образующийся на границе двух полупроводников, имеющих различную ширину запрещённой зоны. Такой переход получил название гетеропереход. Гетеропереходы могут быть образованы двумя монокристаллами или двумя аморфными полупроводниками (Что такое кристаллическое и аморфное тело?) или монокристаллическим и аморфным полупроводником. На рисунке 4 показан вариант гетероперехода, образованный двумя монокристаллами: арсенидом галлия и арсенидом алюминия-галлия. Ширина запрещённой зоны арсенида галлия составляет, примерно, 1,44 эВ. Ширина запрещённой зоны арсенида алюминия-галлия варьируется от 1,42 эВ для участков энергетической диаграммы, образованных энергетическими уровнями атомов соединения GaAs до 2,16 эВ для участков энергетической диаграммы, образованны энергетическими уровнями атомов соединения AlAs.
Рисунок 4 – Гетеропереход
На границе гетероперехода происходит изменение свойств полупроводника. В частности меняется структура энергетических зон и ширина запрещённой зоны. Изменяется подвижность и эффективные массы носителей заряда. Различают анизотипные и изотипные гетеропереходы. Первые образуются в результате контакта полупроводников с дырочной и электронной электропроводностью. Вторые возникают в результате контакта полупроводников одного типа электропроводности. Комбинации различных гетеропереходов образуют гетероструктуры, которые широко используются в современной электронике, в частности, при создании полевых и биполярных транзисторов, оптоэлектронных и фотоэлектрических приборов, солнечных батарей.
Третий тип электрических переходов – переходы между двумя областями полупроводника с одним типом электропроводности, отличающиеся концентрацией примесей и, соответственно, значением удельной проводимости (Что такое удельная проводимость?). Они могут быть образованы разными способами. Например, двумя полупроводниками с одинаковыми типами электропроводности (n+-n–переход или p+-p – переход), но разной концентрацией примеси (т.е. одна часть полупроводника легирована сильнее другой). В этом случае переход называется электронно-электронным (n+-n–переход) или дырочно-дырочным (p+-p – переход) переходом. Знак + в обозначении таких электрических переходов указывает на то, что концентрация носителей заряда одного типа в этой области значительно превышает их концентрацию в другой области. Другой вариант – образование перехода с помощью полупроводника n-типа или p-типа и полупроводника i-типа (n-i-переход, p-i-переход).
Четвёртый тип перехода получил название «контакт металл-полупроводник». В данном случае переход называют контактом, поскольку площадь соприкосновения металла с полупроводником довольно мала. К слову сказать, первые полупроводниковые приборы представляли собой именно контакт полупроводник-металл. Различают два вида контактов полупроводник-металл: не выпрямляющие (в разных источниках встречаются названия омический контакт или омический переход) и выпрямляющие контакты.
Не выпрямляющий контакт – физический контакт, электрическое сопротивление которого мало (менее 105 Ом·см2) и не зависит от направления тока, а электропроводность подчиняется закону Ома. Инжекция неосновных носителей заряда в не выпрямляющем контакте отсутствует. В радиоэлектронике такой контакт используют в качестве внешних выводов полупроводниковых приборов.
Выпрямляющий контакт имеет нелинейную вольт-амперную характеристику, похожую по форме на ВАХ p-n-перехода. Электропроводность контакта зависит от работы выхода электронов и типа полупроводника (p-тип или n-тип). В исходном состоянии, до физического контакта, металл и полупроводник имеют разные уровни Ферми (рисунок 5).
Рисунок 5 – Энергетические зоны металла и полупроводника до контакта
Если работа выхода электронов в полупроводнике меньше работы выхода электронов в металле (выпрямляющий контакт металл-полупроводник n-типа), то после их гальванического контакта электроны из полупроводника под действием термоэлектронной эмиссии перемещаются в металл. В полупроводнике, вблизи контакта, образуется некомпенсированный объёмный заряд, создаваемый положительными ионами донорной примеси, которые остались без электронов. Это приводит к искривлению энергетических зон полупроводника «вверх» (рисунок 6)
Рисунок 6 – Искревление энергетических зон в области контакта металл-полупроводник n-типа
Если же работа выхода электронов в полупроводнике больше работы выхода электронов в металле (как при его контакте с полупроводником p-типа, донорные уровни которого лежат вблизи потолка валентной зоны), то после их гальванического контакта электроны из металла перемещаются в полупроводник. Тем самым, количество свободных электронов в зоне проводимости полупроводника увеличивается, а число дырок в валентной зоне уменьшается. Это приводит к искривлению энергетических зон полупроводника «вниз» (рисунок 7). Необходимо понимать, что рисунки 6 и 7 дают лишь примерное представление о форме энергетических зон и носят иллюстративный характер.
Рисунок 7 – Искревление энергетических зон в области контакта металл-полупроводник p-типа
В радиоэлектронике выпрямляющий контакт металл–полупроводник, который нередко называют барьером Шоттки, применяется в качестве быстродействующих диодов (диод Шоттки).
Любой электрический переход не может быть создан путём простого соприкосновения двух полупроводниковых кристаллов. Для их изготовления используют специальные технологические приёмы.