2.1.1 P-n-переходи та способи їх виготовлення

Електронно-дірковий перехід між двома областями напівпровідника, одна з яких має електропровідність n-типу, а інша p-типу, називають електронно-дірковим, або p-n переходом (рис. 2.1)

 

Рисунок 2.1 – Електронно-дірковий перехід

 

Електронно-дірковий перехід неможливо виготовити простим з’єднанням пластин n- та p-типу, оскільки при цьому не вдається уникнути проміжного шару повітря, окислів або поверхових забруднень.

 Ці переходи одержують вправленням або дифузією відповідних домішків у пластини монокристала напівпровідника, а також шляхом зростання p-n-переходу з розплаву напівпровідника з регульованою кількістю домішок.

Електронно-дірковий перехід є представником ширшого класу електронних переходів. Електричний перехід у напівпровіднику – це тонкий граничний шар між областями єдиного монокристала з різними характеристиками. Переходи створюються між областями напівпровідника з різними типами провідності ( р-n -переходи або електронно-діркові переходи), між областями напівпровідника з електропровідністю одного типу, але з різною концентрацією домішок (- та - -переходи), між областями легованого та чистого напівпровідників (--переходи), між областями напівпровідника з різною шириною забороненої зони (гетеро- переходи), між напівпровідником і металом тощо.

Електричні переходи створюються різними способами. Найбільш поширеними серед них є точково-контактний, сплавний, мікросплавний, дифузійний, дифузійно-сплавний, епітаксіальний способи.

Точково-контактний спосіб полягає у формуванні контакту металевої голки з поверхнею НП з наступним сплавленням за допомогою пропускання через них коротких імпульсів струму (рисунок 2.2,а).

                Спосіб сплавлення здійснюється за допомогою вплавлення домішок у пластинку чистого НП, після чого матеріал домішок обпалюється. Переходи, що виготовляють  цим способом, мають відносно велику площу контакту, велику ємність, а тому здатні пропускати великі струми і можуть застосовуватися в потужних напівпровідникових приладах (рисунок 2.2,б).

Рисунок 2.2 – Способи виготовлення р-n –переходів: а – точково-контактний; б – сплавний; в-мікросплавний

 

                Мікросплавний спосіб зумовляє створення переходу навколо контакту металевої голки з плоским кінцем з поверхнею НП. У цьому випадку площа переходу в 2-3 рази більша, ніж площа точково-контактних переходів, але у сотні разів менша за площу сплавних переходів. Ємність мікросплавних переходів невелика, допустимий прямий струм через перехід у кілька разів перевищує струм точкових переходів (рисунок 2.2,в).

                Дифузійний спосіб полягає у введенні в НП домішок методом їх дифузій з газового або рідинного середовища при температурі, що приблизно дорівнює температурі плавлення НП. Дифузія здійснюється вздовж усієї поверхні напівпровідникової пластини або на певних її ділянках через спеціальні маски.

                Дифузійно-сплавний спосіб є комбінацією сплавного та дифузійного способів. Спочатку здійснюється вплавлення домішок, а потім їх дифузія, яка забезпечує створення потрібного градієнта концентрації носіїв заряду.

                Епітаксіальний спосіб створення переходів полягає в нарощуванні монокристалічного шару НП з розплаву на напівпровідникову пластину, яка має таку саму кристалічну будову, як і нарощуваний шар.

                Розрізняють несиметричні  р-n-переходи - між напівпровідниками з концентраціями основних носіїв заряду (концентраціями домішок), що відрізняються між собою в 10-10 разів ( або ), і симетричні – між напівпровідниками з приблизно однаковими концентраціями основних носіїв (). Частіше на практиці застосовують несиметричні  р-n –переходи.

                Розрізняють також різкі та плавні  р-n –переходи. Різким називають перехід, уздовж якого концентрація носіїв змінюється на відстані, меншій за дифузійну довжину цих носіїв.

                Дифузійна довжина дірок .                         (2.1)

                Дифузійна довжина електронів .               (2.1)

                У формулах (2.1) та  (2.1’) ,  - коефіцієнти дифузій відповідно дірок та електронів; , - середні тривалості життя носіїв. Інакше кажучи, дифузійною довжиною носіїв можна вважати відстань, яку вони проходять за час, що дорівнює середній тривалості їх життя.

                Плавним називають перехід, уздовж якого концентрація носіїв (або домішок) змінюється на відстані, що перевищує дифузійну довжину.

                Надалі розглядатимемо різкий перехід, оскільки саме він має односторонню провідність.