Концентрации акцепторной

Влияние положительного заряда поверхностных состояний на пробивное напряжение р — п перехода сводится к утончению объемного заряда у поверхности «-полупроводника, или к образованию инверсионного n-канала на поверхности высокоомной р-об-ласти ( 2.6). Заряд поверхностных состояний Qn. c, необходимый для образования инверсионного слоя, зависит от концентрации акцепторов в р-области. Зависимость концентрации зарядов поверхностных состояний Nn. с от концентрации акцепторных примесей Na изображена на 2.7. Как видно из рисунка, для образования

вследствие неравномерной концентрации акцепторных примесей, полученной в процессе диффузии, в области активной базы транзистора существует электрическое поле, тормозящее неосновные носители;

Кривые изменения концентрации акцепторных и донорных примесей в таком транзисторе показаны на 12-25, а; на 12-25, б показана кривая разности концентраций Na — NK, а на 12-25, в — энергетическая диаграмма транзистора.

ниевом диоде из-за повышения в базе n-типа концентрации акцепторных примесей, расширения обедненной области перехода, а также изменения свойств поверхности кристалла вначале возрастает /Обр, а затем при инверсии типа проводимости диод теряет выпрямляющие свойства.

Известно, что увеличение концентра^ ции донорных примесей смещает уровень Ферми вверх, а увеличение концентрации акцепторных примесей — вниз относительно середины запрещенной зоны. При концентрации примесей порядка

Кривые изменения концентрации акцепторных и донорных примесей в таком транзисторе показаны на 12-25, а; на 12-25, б показана кривая разности концентраций Na — NK, а на 12-25, в — энергетическая диаграмма транзистора.

Пусть внутренней границей раздела двух областей полупроводника с различным типом проводимости является плоскость ММ ( 8.11, а): слева от нее находится полупроводник р-типа, например р-германий с концентрацией акцепторов NA, справа — полупроводник га-типа («-германий) с концентрацией доноров УУД. Для простоты будем считать, что Na = NK и равно, например, 1022 м~3. На 8.11, б показано изменение концентрации акцепторных и донорных атомов при перемещении вдоль оси х, перпендикулярной плоскости ММ. В точке 0, лежащей в этой плоскости, Na скачкообразно падает до нуля, Л^д скачкообразно увеличивается от нуля до NR.

Для «-области основными носителями являются электроны, для р-области — дырки. Основные носители возникают почти целиком вследствие ионизации донорных и акцепторных примесей. При не слишком низких температурах эти примеси ионизированы практически полностью, вследствие чего концентрацию электронов в «-области пп0 можно считать равной концентрации донорных атомов: гап0 да УУД, а концентрацию дырок в р-области р,,0 — концентрации акцепторных атомов в р-области: рр0 ж Nu.

где Na, Nd — концентрации акцепторных и донорных примесей, которые могут быть определены из температурных зависимостей концентрации и подвижности свободных носителей заряда по эффекту Холла ( 15.10 — 15.15). Используя закон действующих масс, можно определить концентрацию основных носителей в примесном полупроводнике:

15.14. Зависимости удельного сопротивления от концентрации акцепторных р и допори ых л примесей при температуре 298 К для кремния (а) и германия (б)

Na, Nd — концентрации акцепторных и донорных атомов

Из соотношения (6.6) следует, что для повышения коэффициента инжекции необходимо принимать меры для уменьшения величины /эп. На практике получают коэффициент инжекции порядка 0,995. Это достигается созданием концентрации донорной примеси в базе, в 100 раз меньшей концентрации акцепторной примеси в эмиттере. Кроме того, обеспечивается малая толщина базовой области (10... ... 25 мкм).

6.21. Имеется кристалл германия р-типа при комнатной температуре (7=300 К). При какой концентрации акцепторной примеси уровень Ферми будет совпадать с потолком валентной зоны, если т*р=0,4 /Яо?

Заметим, что напряжение пробоя зависит от концентрации акцепторной примеси.

В логических схемах приемлемое значение порогового напряжения обычно составляет около +1 В. Расчеты показывают, что такое значение Unop может быть достигнуто при достаточно высокой концентрации акцепторной примеси в подложке vVa. Это в свою очередь обусловливает более сильное влияние подложки на пороговое напряжение, что можно заметить по выражению (3.19), подставив в него вместо NK соответствующее значение Na. Практически А(/пор для n-канальных транзисторов может быть увеличено в 2 — 3 раза по сравнению с р-канальными. Для повышения порогового напряжения n-канальных транзисторов иногда увеличивают толщину подзатворного окисла, при этом влияние подложки становится еще более ощутимым.

Пробой реальных p-n-переходов часто происходит вблизи поверхности полупроводника, т. е. в местах выхода перехода на поверхность кристалла (см. § 3.14). Для исключения возможности поверхностного пробоя толщину диффузионного перехода (6i) в месте выхода его на поверхность кристалла кремния, т. е. в кольцевой части по периферии кристалла, желательно сделать большей по сравнению с толщиной перехода (62) в центральной части кристалла ( 3.37). Достичь этого можно двумя способами. Во-первых, кольцевую часть перехода можно сформировать диффузией алюминия, а центральную часть — диффузией бора. Коэффициент диффузии алюминия больше коэффициента диффузии бора, а растворимость алюминия в кремнии меньше, чем бора. Поэтому градиент концентрации акцепторной примеси в

где р — плотность объемного заряда, зависящего от концентрации носителей (p—q[p+Na—п—WJ); ео — электрическая постоянная; е — относительная диэлектрическая проницаемость; JVa и NK — концентрации акцепторной и донорной примесей соответственно.

Аналогично ведет себя и полупроводник р-типа при увеличении в нем концентрации акцепторной примеси. Так как орбиты электронов примесных атомов увеличены в полупроводнике примерно в е раз (е — относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника), то примесные атомы начинают заметно взаимодействовать друг с другом уже при концентрации примеси УУД » 1024 м~3 (10~2— 10~3 атомных процента).

Если концентрация донорной примеси ND намного выше концентрации акцепторной, т.е. Л/д» NA, то вкладом дырок в электропроводность можно пренебречь, и она будет определяться только электронами:

Наибольшим к. п. д. и простотой конструкции обладает лазер на р—я-переходе. Рассмотрим, например, наиболее широко распространенную конструкцию лазера на р—я-переходе из арсенида галлия. Действие лазера основано на том, что при прямом смещении электроны инжектируются в р-область, где происходит их излуча-тельная рекомбинация с имеющимися там дырками. Для создания состояния с инверсией населенностей необходима большая концентрация дырок в валентной зоне, что достигается увеличением концентрации легирующей акцепторной примеси. Для того, чтобы инжекция электронов в р-область превышала инжекцию дырок в п-область (где рекомбинация безызлучательная, а следовательно, ток дырок в я-область целиком относится к потерям), необходимо, чтобы концентрация донорной примеси в «-области была выше концентрации акцепторной примеси в р-области, т. е. пп>рР.

зоны. Вследствие этого энергетическая диаграмма полупроводника изменится. Во-первых, уменьшится Eg и, во-вторых, уровень Ферми будет расположен в разрешенной зоне. Аналогичные изменения произойдут и при увеличении концентрации акцепторной примеси в полупроводнике р-типа, но уровень Ферми будет расположен в валентной зоне. Такие полупроводники называются вырожденными вследствие того, что электроны ведут себя подобно вырожденному электронному газу. Вырожденные полупроводники и используются для созда- "