14.1.3. Твердотельные приборы с электронно-дырочными переходами

Диоды на основе электронно-дырочного р-n перехода

Электронно-дырочным, или p-n переходом, называют контакт двух полупроводников одного вида с различными типами проводимости (электронным и дырочным).

Классическим примером p-n перехода являются: n-Si – p‑Si, n-Ge – p-Ge.

Рассмотрим контакт двух полупроводников n- и p-типа. Величина работы выхода Ф определяется расстоянием от уровня Ферми до уровня вакуума. Термодинамическая работа выхода в полупроводнике p-типа Ф_p всегда больше, чем термодинамическая работа выхода Ф_n в полупроводнике n-типа. Из соотношений (14.13) и (14.14) следует, что

.

(14.16)

При контакте полупроводников n- и p-типов вследствие различного значения токов термоэлектронной эмиссии (из-за разных значений работы выхода) поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа будет больше. Электроны из полупроводника n-типа будут при переходе в полупроводник p-типа рекомбинировать с дырками. Вследствие несбалансированности токов в полупроводнике n-типа возникнет избыточный положительный заряд, а в полупроводнике p-типа – отрицательный. Положительный заряд обусловлен ионизованными донорами, отрицательный заряд – ионизованными акцепторами. Вследствие влияния поля произойдет изгиб энергетических зон в полупроводниках n- и p-типов, причем в полупроводнике p-типа на поверхности термодинамическая работа выхода будет уменьшаться, а в полупроводнике n-типа на поверхности термодинамическая работа выхода будет увеличиваться. Условию термодинамического равновесия соответствуют равные значения токов термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводников p- и n-типов, а следовательно, и равные значения термодинамической работы выхода.

На рис. 14.2 приведены зонные диаграммы, иллюстрирующие этапы формирования электронно‑дырочного перехода.

 

Рис. 14.2. Схема, иллюстрирующая образование p‑n перехода

 

Граница областей донорной и акцепторной примеси в полупроводнике получила название металлургического p-n перехода. Границу, где уровень Ферми пересекает середину запрещенной зоны, называют физическим p-n переходом.

Рассмотрим токи в электронно‑дырочном переходе в равновесном (рис. 14.3) и неравновесном (при наличии внешнего напряжения, рис. 14.3) состояниях [42, 53].

 

Рис. 14.3. Зонная диаграмма p-n перехода, иллюстрирующая баланс токов в равновесном состоянии

 

В равновесном состоянии в p-n переходе существуют четыре компоненты тока – две диффузионные и две дрейфовые. Диффузионные компоненты тока обусловлены основными носителями, дрейфовые – неосновными. В условиях термодинамического равновесия (V_G = 0) суммарный ток в p-n переходе равен нулю, при этом диффузионные и дрейфовые компоненты попарно уравновешивают друг друга:

.

(14.17)

При неравновесном состоянии, если приложено прямое внешнее напряжение, то доминируют диффузионные компоненты, если приложено обратное напряжение, то доминируют дрейфовые компоненты (рис. 14.4).

 

Рис. 14.4. Зонная диаграмма p-n перехода, иллюстрирующая дисбаланс токов в неравновесном состоянии: а- прямое смещение; б- обратное смещение

Таким образом, вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n перехода имеет вид:

.

(14.18)

Плотность тока насыщения J_s равна:

.

(14.19)

ВАХ p-n перехода, описываемая соотношением (14.18), приведена на рис. 14.5.

 

Рис. 14.5. Вольт-амперная характеристика идеального p-n перехода

Как следует из соотношения (14.18) и рис. 14.5, вольт‑амперная характеристика идеального p-n перехода имеет ярко выраженный несимметричный вид. В области прямых напряжений ток p-n перехода диффузионный и экспоненциально возрастает с ростом приложенного напряжения. В области отрицательных напряжений ток p-n перехода – дрейфовый и не зависит от приложенного напряжения.

 

 

Биполярные транзисторы

В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: инжекция, диффузия, рекомбинация и экстракция.

Рассмотрим р-n переход эмиттер – база при условии, что длина базы велика. В этом случае при прямом смещении р-n перехода из эмиттера в базу инжектируются неосновные носители. Закон распределения инжектированных дырок р_n(х) по базе описывается следующим уравнением:

.

(14.20)

Схематически распределение инжектированных дырок р_n(х) показано на рис. 14.6.

 

Рис. 14.6. Распределение инжектированных дырок в базе

 

Процесс переноса инжектированных носителей через базу диффузионный. Характерное расстояние, на которое неравновесные носители распространяются от области возмущения, – диффузионная длина L_p. Поэтому, если необходимо, чтобы инжектированные носители достигли коллекторного перехода, длина базы W должна быть меньше диффузионной длины L_p. Условие W < L_p является необходимым для реализации транзисторного эффекта – управления током во вторичной цепи через изменение тока в первичной цепи.

В процессе диффузии через базу инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в базе. Для восполнения прорекомбинировавших основных носителей в базе через внешний контакт должно подойти такое же количество носителей. Таким образом, ток базы – это рекомбинационный ток.

Продиффундировавшие через базу без рекомбинации носители попадают в электрическое поле обратно смещенного коллекторного p-n перехода и экстрагируются из базы в коллектор. Таким образом, в биполярном транзисторе реализуются четыре физических процесса [53]:

•         инжекция из эмиттера в базу;

•         диффузия через базу;

•         рекомбинация в базе;

•         экстракция из базы в коллектор.

Эти процессы для одного типа носителей схематически показаны на рис. 14.7.

 

Рис. 14.7. Зонная диаграмма биполярного транзистора: а – в равновесном состоянии; б – в активном режиме

 

На рис. 14.7, а показана зонная диаграмма биполярного транзистора в схеме с общей базой в условиях равновесия. Значками (+) и (–) на этой диаграмме указаны электроны и дырки.

Для биполярного транзистора в схеме с общей базой активный режим (на эмиттерном переходе – прямое напряжение, на коллекторном – обратное) является основным. Поэтому в дальнейшем будет рассматриваться транзистор в активном режиме, для p-n-р биполярного транзистора U_э > 0, U_к < 0.

Для биполярного транзистора p-n-р типа в активном режиме (рис. 14.7, б) эмиттерный переход смещен в прямом направлении, и через него происходит инжекция дырок как неосновных носителей в базу. База должна иметь достаточно малую толщину W (W << L_p, где L_p – диффузионная длина неосновных носителей), чтобы инжектированные в базу неосновные носители не успевали прорекомбинировать за время переноса через базу. Коллекторный переход, нормально смещенный в обратном направлении, «собирает» инжектированные носители, прошедшие через слой базы.

Рассмотрим компоненты токов в эмиттерном и коллекторном переходах (рис. 14.8). Для любого p-n перехода ток J определяется суммой электронной J_n и дырочной J_p компонент, а они, в свою очередь, имеют дрейфовую и диффузионную составляющие:

.

(14.21)

При приложении к эмиттерному переходу прямого напряжения U_э > 0 в биполярном транзисторе p-n-р происходит инжекция дырок из эмиттера в базу I_эр и электронов из базы в эмиттер I_эn. Ввиду того, что эмиттер легирован намного сильнее базы, ток инжектированных дырок I_эр будет значительно превышать ток электронов I_эn. Инжектированные в базу дырки в результате диффузии будут перемещаться к коллекторному переходу, и, если ширина базы W много меньше диффузионной длины L_p, почти все дырки дойдут до коллектора и электрическим полем коллекторного p-n-р перехода будут переброшены в р-область коллектора. Возникающий вследствие этого коллекторный ток лишь немного меньше тока дырок, инжектированных эмиттером. Вольт-амперные характеристики БТ в активном режиме (U_к < 0, |U_к| >> 0):

,

(14.22)

где I_э – ток в цепи эмиттера, I_к – ток в цепи коллектора, I_б – ток на базовом выводе.

В активном режиме к эмиттеру приложено прямое напряжение, и через переход течет эмиттерный ток I_э, имеющий две компоненты:

,

(14.23)

где I_эр – ток инжекции дырок из эмиттера в базу, I_эn – ток инжектированных электронов из базы в эмиттер. Величина «полезной» дырочной компоненты равняется I_эp = γ·I_э, где γ – эффективность эмиттера. Величина дырочного эмиттерного тока, без рекомбинации дошедшая до коллектора, равняется γκI_э.

Ток базы I_б транзистора будет состоять из трех компонент, включающих электронный ток в эмиттерном переходе I_эn = (1 – γ)·I_э, рекомбинационный ток в базе (1 - κ)γI_э и тепловой ток коллектора I_к0.

Тепловой ток коллектора I_к0 имеет две составляющие:

,

(14.24)

где I₀ – тепловой ток, I_g – ток генерации.

На рис. 14.8 приведена схема биполярного транзистора в активном режиме, иллюстрирующая компоненты тока в схеме с общей базой.

 

Рис. 14.8. Схема, иллюстрирующая компоненты тока в биполярном транзисторе в схеме с общей базой

 

Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора в схеме с общей базой приведены на рис. 14.9 [53].

 

Рис. 14.9. Вольт-амперные характеристики БТ в активном режиме: а – семейство эмиттерных характеристик; б – семейство коллекторных характеристик

 

Из рисунка видно, что коллекторные характеристики эквидистантны. При напряжении на коллекторе, равном нулю, U_к = 0, ток коллектора уже достаточно большой и в дальнейшем по мере роста коллекторного напряжения не меняется. При небольшом прямом смещении коллекторного перехода коллекторный ток резко убывает и становится равным нулю при значениях смещения на коллекторе, равных напряжению на эмиттере. Для семейства эмиттерных кривых характерна слабая зависимость от коллекторного напряжения. При напряжении на коллекторе, равном нулю, U_к = 0, эмиттерная характеристика полностью совпадает с вольт‑амперной характеристикой эмиттерного p‑n перехода. При увеличении напряжения на коллекторе ток эмиттера слабо меняется вследствие эффекта модуляции ширины базы.

Для активного режима, когда U_э > 0, U_к < 0, |U_к| << 0, выражения семейства коллекторных и эмиттерных характеристик описываются следующими соотношениями:

	(14.25)
.	(14.26)

Идеализированные вольт‑амперные характеристики биполярного транзистора в схеме с общей базой в виде (14.26) являются наиболее распространенными при анализе физических процессов, происходящих в базе транзистора.

 

Светодиоды и полупроводниковые лазеры на гетеропереходах

Использование  гетероструктур (с одним гетеропереходом типа n-GaAs – p-Ge, p-GaAs – n-Al_xGa_1-xAs; c двумя гетеропереходами типа n-Al_xGa_1-xAs – p-GaAs – p⁺-Al_xGa_1-xAs) позволяет реализовать эффективную инжекцию неравновесных носителей и их излучательную рекомбинацию. Этот эффект используется в светодиодах и полупроводниковых лазерах. Отличие этих двух устройств заключается лишь в том, что светодиоды являются источниками некогерентного излучения, а полупроводниковые лазеры – источниками когерентного излучения с узкой спектральной характеристикой.

Схематично одна из типичных конструкций полупроводникового лазера с двойным гетеропереходом изображена на рис. 14.10. В структуре с двумя гетеропереходами носители сосредоточены внутри активной области d, ограниченной с обеих сторон потенциальными барьерами; излучение также ограничено этой областью вследствие скачкообразного уменьшения показателя преломления за ее пределами. Эти ограничения способствуют усилению стимулированного излучения и соответственно уменьшению пороговой плотности тока. В области гетероперехода возникает волноводный эффект, и излучение лазера происходит в плоскости, параллельной гетеропереходу [22, 76].

 

Рис. 14.10. Зонная диаграмма полупроводникового лазера на двойном гетеропереходе: а – чередование слоев в лазерной двойной n–p–p+ гетероструктуре; б – зонная диаграмма двойной гетероструктуры при нулевом напряжении; в – зонная диаграмма лазерной двойной гетероструктуры в активном режиме генерации лазерного излучения

 

Использование гетероперехода позволяет реализовать одностороннюю инжекцию при слаболегированном эмиттере лазерного диода и существенно уменьшить пороговый ток. Активная область представляет собой слой n‑GaAs толщиной всего 0,1–0,3 мкм. В такой структуре удалось снизить пороговую плотность тока почти на два порядка (~ 10³ А/см²)  по сравнению с устройством на p-n переходе. Уменьшение пороговой плотности тока происходит из-за того, что оптические и энергетические характеристики слоев, участвующих в переходах, таковы, что все инжектированные электроны и оставшиеся дырки эффективно удерживаются только в активной области; лазерный пучок сосредоточен также только в активной области,  где и происходит его основное усиление и распространение; лазерный пучок не испытывает по этим причинам поглощения в областях, соседних с активной.

Дальнейшее развитие лазеров на двойной гетероструктуре лежит в области новых полупроводниковых материалов на основе нитрида галлия с использованием квантовых ям в качестве областей рекомбинации. Генерация лазерного излучения в такого сорта лазерных диодах проходит в направлении, перпендикулярном плоскости гетеропереходов, поскольку внешний слой GaN имеет большую ширину запрещенной зоны и является оптически прозрачным. На рис. 14.11, 14.12 приведены структура голубого инжекционного лазера на основе нитрида галлия с квантовой ямой и внешний вид такого устройства.

Рис. 14.11. Схема голубого инжекционного лазера на основе нитрида галлия с двойной гетероструктурой и квантовой ямой [42, 97]

 

Рис. 14.12. Внешний вид полупроводникового лазера на основе двойной гетероструктуры

 

В середине девяностых годов был реализован светодиод на основе гетероструктуры InGaN/GaN с эмиссией излучения в планарном направлении. Особенностью таких светодиодов является высокая интенсивность люминесценции, достигающая 2–3 кд и высокое значение квантового выхода η = 5,4 %. Возможность создания экономичных и долговечных светодиодов на основе нитрида галлия, согласованных по спектру с естественным освещением и чувствительностью человеческого глаза, открывает новые перспективы для их нетрадиционного использования. Например, применение светодиодов в транспортных многосекционных светофорах, индивидуальных микромощных лампочках освещения (при мощности 3 Вт световой поток составляет 85 Лм), в осветительных приборах автомобилей. На рис. 14.13 показан бытовой фонарь, использующий светодиоды с планарной генерацией излучения на основе GaN [32, 35].

 

Рис. 14.13. Бытовой фонарь, использующий светодиоды на основе нитрида галлия