ДРя какой-либо области полупроводника к равновесной концентрации основных носителей заряда в ней n„„ и рп,:

Ь = ИРп1п = Пр/Рр. (3.12)

Если приращения концентраций инжектированных дюсителей соизмеримы с концентрациями основных носителей (Дрп-Дпп-Пп и Апр~Арр~рр), то уровень инжекции считают средним (би=;1), а при 6и>1-высоким. Инжектированные неосновные носители заряда создают в области перехода объемные заряды. Для компенсации этих зарядов из объемов р- и п-областей к переходу перемещаются основные носители зарядов, что приводит к образованию у границ перехода избыточной концентрации как неосновных Арп, Апр, так и основных Апп, Арр носителей зарядов. При этом в объемах р- и п-областей возникают нескомпенсированные заряды неподвижных ионов примесей, что вызывает появление внутреннего электрического поля и нарушение электронейтральности областей.

Обратное смещение перехода. При включении обратного напряжения внешнего источника (минус подключен к р-области, а плюс к п-области) его электрическое поле в переходе совпадает по направлению с диффузионным (рис. 3.4, б), высота потенциального барьера для основных носителей возрастает до значения

Дт = Ато-ЬС/-обр> (3-13)

вследствие чего плотность потока основных носителей через переход уменьшится. Для неосновных носителей, т. е. для дырок в п-области и для электронов в р-области, потенциальный барьер в переходе вообще отсутствует. Неосновные носители заряда будут втягиваться электрическим полем источника в р-п-переход и проходить через него в смежную область (будет происходить экстракция носителей зарядов). При этом через переход будет идти обратный ток неосновных носителей. Этот ток мал из-за малой концентрации неосновных носителей заряда в прилегающих к р-п-пере-ходу областях.

Ширина р-п-перехода при увеличении обратного напряжения по абсолютному значению увеличивается

Up = /[2sEo (ДТо + Собр)/е] (а + Na)/NN, (3.14)

так как при этом возрастает суммарная напряженность электрического поля в переходе и глубина его проникновения в прилегающие области. Под действием этого поля неосновные носители будут уходить из р- и п-областей, уменьшатся граничные концентрации неосновных носителей р„ и Пр (на рис. 3.5, б показаны сплошными линиями) по сравнению с их равновесными значениями (на рис. 3.5, б штриховые линии). Вблизи границ перехода в этом случае возникнут градиенты концентрации неосновных носителей, вследствие чего начнется их диффузионное движение (экстракция неосновных носителей) из объемов р- и п-областей полупроводника к границам электронно-дырочного перехода.

Равновесные концентрации неосновных носителей зарядов Лр„ и рп„ и их диффузионные длины Lp и L„ от обратного напряжения не зависят, поэтому их концентрации у границ перехода и ток через переход даже при увеличении обратного напряжения постоянны.

§ 3.3. Методы формирования и виды р-п-переходов

Методы формирования. Наибольшее распространение получили методы вплавления, диффузии примесей и эпитаксиального наращивания. При вплавлении примесей в монокристалл полупроводника навеску вплавляемого материала (из металла или сплава, содержащего донорные или акцепторные примеси) и кристалл нагревают до расплавления навески. В результате часть кристалла полупроводника растворяется в расплаве навески. При последующем охлаждении происходит рекристаллизация полупроводника с материалом навески. По сравнению с исходным полупроводником ре-кристаллизованный слой получает другой тип электропроводности, а на границе их раздела возникает р-п-переход, называемый сплавным переходом.

Для создания диффузионного р-п-перехода используют диффузию в полупроводник примеси, находящейся в газообразной, жидкой или твердой фазе.

Диффузионные переходы имеют несколько разновидностей. Диффузионный р-п.~переход, полученный в результате диффузии примеси сквозь отверстие в защитном слое, нанесенном на поверхность полупроводника, называют планарным. В качестве защитного слоя на поверхности кремния обычно служит диоксид кремния Si02. На рис. 3.6 показаны этапы технологического процесса формирования планарного р-п-перехода. Основу такой технологии составляет фотолитография. Исходную окисленную пластину монокристалла кремния покрывают слоем фоточувствительного вещества (фоторезиста ФР на рис. 3.6, а). Через маску засвечивают пленку фоторезиста ультрафиолетовым светом (рис. 3.6, б). Облученные (экспонированные) места фоторезиста полимеризуются и становятся нерастворимыми, а незаполимеризо-ванные части ФР смываются (рис. 3.6, е). Производят травление пленки оксида Si02, которая остается лишь в местах, где она защищена ФР (рис. 3.6, г). В образовавшиеся окна производят диффузию примеси в пластину кремния (рис. 3.6, д).

Для получения более сложных структур,

\\ \\ V

•SiOz St

-SiB •St

например с двумя p-n-переходами, рассмот-

Рис. 3.6. Схема формирования планарного р-п-ие-рехода

ренные этапы повторяют (заново окисляют пластину кремния, наносят слой ФР, засвечивают отдельные участки, производят травление и диффузию примеси).

Диффузионный р-п-переход, полученный путем обратной диффу зии примеси из полупроводника в смежную область (из металла или полупроводника), называют конверсионным.. Для получения конверсионного перехода в качестве исходного полупроводника используют кристалл германия, содержащий донорную и акцепторную примесь. Концентрация акцепторов берется больше доноров, следовательно, исходный германий имеет дырочную (р-типа) электропроводность. Затем в исходный кристалл германия вплавляют навеску (из металла или сплава). При вплавлении акцепторы из исходного кристалла германия диффундируют в навеску, а сам кристалл германия, примыкающий к навеске, с потерей акцепторов изменяет тип электропроводности, т. е. происходит конверсия.

Сущность эпитаксиального наращивания состоит-в-том, что некоторые химические соединения, например хлориды или иодиды германия и кремния с примесью легирующих веществ, разлагаясь, образуют поверхностный слой, структура которого является продолжением монокристаллической структуры исходного полупроводника подложки. Если эпитаксиальный слой имеет иной, чем подложка, тип электропроводности, получаем эпитаксиальный р-п-переход.

Виды электронно-дырочных переходов. По характеру распределения концентрации примеси различают плавные и резкие р-п-пере-ходы. Если толщина области изменения концентрации примеси сравнима или больше толщины р-п-перехода, то переход называют плавным. Переход, в котором толщина области изменения концентрации примеси значительно меньше толщины р-п-перехода, называют резким. Резкий переход получается при вплавлении примеси, а плавный - при ее диффузии.

Если размеры р- и п-областей меньше диффузионной длины {WnLp и Wp-Ln), то концентрация неосновных носителей за границами перехода изменяется по линейному закону (см. рис. 2.9, б):

п{-х) = Пр-1гп{\ -\rxlwp). (3.15)

При Wn>Lp и Wp>Ln концентрация вне перехода изменяется по экспоненциальному закону (см. рис. 2.9, а):

Рх = Рп, + lpe-P; п(-х) = пр + Д«/«. (3.16)

По отношению концентраций основных носителей заряда или соответствующих примесей в р- и п-областях различают симметричные и несимметричные р-п-переходы. У симметричных переходов концентрации основных носителей заряда в прилегающих к переходу областях приблизительно равны (pp„~n„„). В реальных полупроводниковых приборах обычно используются несимметричные