Материал: Функциональная электроника. учебное пособие. Свистова Т.В

4.1.2. Континуальные среды

Полупроводниковые среды занимают промежуточное положение по проводимости электрического тока между диэлектриками и металлами. При комнатной температуре их удельное сопротивление лежит в пределах от 10^-6 до 10⁹Ом∙м. Такой огромный диапазон (15 порядков) значений определяется рядом специфических свойств полупроводников. Прежде всего, удельная проводимость зависит от количества примесей. Одна тысячная процента примеси может изменить проводимость полупроводника на 4 - 5 порядков. Полупроводники обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в большом диапазоне температур. К полупроводникам относится большой ряд простых веществ из II, III, IV, VI, VII групп таблицы Менделеева: германий, кремний, селен, теллур, бор, углерод, фосфор, сера, сурьма, мышьяк, серое олово, йод, а также соединения различных типов: А^IB^V, А^IB^VI, А^IВ^VII, А^IIB^IV, А^IIB^V, А^IIB^VI, А^IIВ^VII, А^IIIB^V, А^IIIB^VI, А^IIIВ^VII, А^IVB^IV, А^IVB^V, А^IVВ^VI, А^VB^VI, А^VIB^VI, А^VIIВ^VI, А^IВ^VIIB₂^VI, А^IВ^VB₂^VI и т. д.

Различают некоторые классы полупроводниковых континуальных сред. Элементарные полупроводники представляют собой кристаллическую решетку. Например, в германии и кремнии, являющимися основными материалами, атомы образуют кристаллическую решетку типа алмаза. Каждый атом взаимодействует с четырьмя ближайшими соседями, с каждым из которых связан ковалентной связью. Содержание посторонних примесей не должно превышать 10^-7 %, а дозируемое введение донорных (P, As, Sb) или акцепторных (В, Al, Ga, In) примесей меняет их тип проводимости в достаточно широких пределах. Монокристаллы можно выращивать методами Чохральского или бестигельной зонной плавки, получать в процессе эпитаксиального выращивания тонких кристаллических слоев, а также в процессе лазерной рекристаллизации поликристаллов.

Соединения типа А^IIIB^V (GaAs, InAs, GaSb, InSb, GaP, InP) представляют собой твердые растворы. Они характеризуются ковалентной связью с некоторой долей ионной составляющей. Возможно образование тройных и более сложных растворов (Ga_xAl_1-xAs Ga_xAl_1-xP и т. п.). Электрические свойства таких полупроводников могут меняться путем легирования донорными (Sn, Те, Se, S) или акцепторными (Zn, Cd, Mg) примесями. Монокристаллы этого класса получают методом Чохральского, зонной кристаллизацией, кристаллизацией из газовой или жидкой фазы, молекулярно-лучевой эпитаксией.

Соединения типа А^IIB^IV (ZnS, CdS, HgSe, ZnSe, ZnTe) представляют собой твердые растворы. Кристаллическая структура имеет ковалентно-ионную связь. Физические свойства определяются содержанием точечных дефектов, обусловленных отклонениями от стехиометрии состава. Аналогичными свойствами обладают соединения типа А^IVВ^VI (PbS, SnS, SnSe, PbTe, SnTe).

Соединения элементов VI группы с элементами I - V групп образуют кристаллы, в которых преобладает ионная связь. Если элементы этой группы связаны с переходными или редкоземельными элементами, то такие соединения обладают магнитными свойствами. Некоторые из таких полупроводников обладают ферромагнитными свойствами (ЕuО, EuS, CdCr₂Se₄), другие - антиферромагнитными (ЕuТе, EuSe, NiO).

Тройные соединения A^IIB^IVC₂^V (CdSnAs₂, CdGeAs₂, ZnSnAs₂) обладают ферромагнитными и (или) сегнетоэлектрическими свойствами.

Аморфные полупроводники представляют собой класс сильно легированных веществ - компенсированный полупроводник со смешанной ионно-ковалентной связью. К этому классу относятся халькогениды свинца: галенит (PbS), клаусталит (PbSe), алтаит (РbТе), халькогенидные стекла (As₃₁Gе₃₀Se₂₁Те₁₈), оксидные стекла (V₂О₅ - Р₂О₅).

 Idt = e 1,6∙10^-19 А∙c. (4.4)

Такой импульс тока может быть использован в качестве динамической неоднородности.

Перечисленные типы динамических неоднородностей являются наиболее заслуживающими внимание и не исчерпывают весь их перечень.

Органические полупроводники характеризуются наличием в молекулах сопряженных связей. К этому классу веществ относятся ароматические соединения (например, нафталин и др.), природные пигменты (хлорофил, каротин и др.), ион-радикальные соли, молекулярные комплексы с переносом заряда. Это могут быть монокристаллы, поликристаллы или аморфные порошки.

Определенный интерес вызывают полупроводники, в которых проявляются механизмы оптической нелинейности.

Качественно новый класс полупроводниковых материалов и континуальных сред представляют собой сверхрешетки - синтезированные структуры, в которой на носители заряда, помимо кристаллической решетки, действует дополнительный потенциал с периодом, существенно превышающим постоянную решетки. Параметры этого потенциала можно менять и тем самым управлять энергетическим спектром носителей. Тип сверхрешетки определяется технологией изготовления. Композиционные сверхрешетки формируются путем чередования тонких слоев различных материалов с близкими значениями постоянных решетки. Легированные сверхрешетки формируются из слоев с дырочной и электронной проводимостями в объеме одной полупроводниковой среды. Спиновые сверхрешетки создаются технологией селективного легирования полупроводника магнитными и немагнитными примесями. Наиболее совершенные сверхрешетки формируют при использовании молекулярно-лучевой эпитаксии.

Свойства полупроводниковых континуальных сред могут быть достаточно полно описаны с помощью квантовой теории энергетического спектра электронов, зонной теории.

4.1.3. Генераторы динамических неоднородностей

Процесс генерирования динамических неоднородностей в полупроводниковой континуальной среде определяется конкретными физическими явлениями и эффектами, характерными для данного их типа, и данной среды. Рассмотрим некоторые генераторы динамических неоднородностей.

Генераторы зарядовых пакетов в полупроводниковых структурах могут быть нескольких типов. В приборах и устройствах функциональной электроники используется нестационарное состояние полупроводниковых структур. Например, в МДП-конденсаторе при подаче напряжения на металлическую обкладку возникает электрическое поле. Это электрическое поле вытесняет основные носители вглубь полупроводника.

В результате процесса термогенерации в полупроводнике образуются электронно-дырочные пары и под воздействием электрического поля генерируются те заряженные частицы, которые имеют знак противоположный напряжению на металлической обкладке. Они же заполняют обедненную область. Заряженные частицы одноименного знака с основными носителями полупроводника оттесняются этим полем вглубь среды. Однако процессы термогенерации инерционны (0,1 - 0,5 с) и не используются в качестве основного механизма создания динамических неоднородностей, типа зарядовых пакетов.

Генерацию зарядовых пакетов целесообразно осуществлять методом инжекции - экстракции зарядов через прямосмещенный р-п-переход. Одно из конструктивных решений генератора зарядовых пакетов приведено на рис. 4.2. Здесь рассмотрен случай, когда используется подложка из кремния р-типа с зарядовыми пакетами, состоящими из электронов. Практически аналогичная ситуация реализуется для подложки из п-типа.

Рис. 4.2. Генератор зарядовых пакетов (а), форма импульса напряжения на эмиттере U₃ (б), в процессе инжекции (в) и экстракции (г), форма импульса на первом электроде (д)

Сильно легированная область п-типа является источником электронов и находится под потенциалом U_Э. На входной электрод (затвор) подается потенциал. Потенциал на первом электроде U_Ф1 больше потенциала на входном электроде U_вх. Происходит экстракция или ток носителей заряда из высоколегированной области перетекает под электроды в другой области полупроводника. Ток течет только во время действия импульса на эмитирующем электроде. Это время выбирается таким, чтобы успела заполниться потенциальная яма под электродом U_Ф1.

Такой процесс называют еще режимом залива заряда через барьер. Он характерен тем, что в исходном состоянии элемента весь заряд находится в эмитирующей области. Между этой областью и первой ячейкой существует потенциальный барьер, формируемый импульсом напряжения. Заполнение ячейки осуществляется как бы подъемом дна и заливкой через канал, образованный под входным затвором (рис. 4.2, в).

Величина накопленного заряда определяется как:

Q_зн = SС_д(U_Ф - U₀), (4.5)

где С_д - удельная емкость МОП-конденсатора, S - площадь затвора, U_Ф - фазовый потенциал на затворе, U₀ - пороговое напряжение, необходимое, для создания канала в полупроводнике.

Когда зарядовый пакет полностью сформирован, дно опускается и часть заряда, превышающая емкость зарядового пакета, снова стекает в эмиттерную область. Это наступает, когда потенциалы входной и первой ячейки сравниваются (рис. 4.2, г).

Генерацию зарядовых пакетов можно осуществить и оптическим путем. Различают четыре основных способа генерации оптической информации:

- непосредственный оптический ввод со стороны подложки;

- оптический ввод со стороны оптических электродов;

- ввод с использованием фоточувствительного слоя;

- ввод путем фотоэлектронного преобразования оптической информации.

С этой целью используются внешний и внутренний фотоэффекты. Основным физическим механизмом генерации зарядовых пакетов является внутренний фотоэффект, возникающий при поглощении фотонов и генерации носителей заряда. Различают собственный внутренний фотоэффект, заключающийся в образовании одновременно электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Этот эффект реализуется в случае, когда энергия фотона больше ширины запрещенной зоны (hv > E_g).

Примесный внутренний фотоэффект возникает в случае, когда энергия фотона меньше ширины запрещенной зоны, но больше энергии возбуждения примеси. В этом случае при поглощении фотона возбуждаются доноры и акцепторы в примесях, и образуется один носитель: электрон в зоне проводимости или дырка в валентной зоне.

На рис. 4.3 приведены конструкции фотогенераторов зарядовых пакетов. Фотогенерированные в полупроводниковой среде носители собираются в элементе накопления или в фотодиоде и являются по существу генераторами динамических неоднородностей в устройствах подобного типа (рис. 4.3, а, б). Модель накопителя можно рассматривать как модель фотодиода с глубиной р-п-перехода, равной нулю. Генерируемые в обедненной области носители в ней не рекомбинируют и попадают в потенциальную яму. Если носители генерируются в квазинейтральной области, то они диффундируют к гра­нице обедненной области. Под действием электрического поля они падают в потенциальную яму, частично рекомбинируя. Общий фототок определяется суммой тока в обедненной области I_об и диффузионного тока I_диф и может быть записан в виде:

Рис. 4.3. Схема генерации оптических зарядовых пакетов

на основе МОП-накопителя (а), фотодиода (б) и фотогенератора ПЗС-структуры (в): 1 - затвор; 2 - диоксид кремния;

3 - обедненная область; 4 - квазинейтральная п-область;

5 - контакт; 6 - инверсный слой;

7 - квазинейтральная р-область фотодиода

I_Ф = I_об + I_диф. (4.6)

Зарядовый пакет формируется интеграцией тока за промежуток времени освещения  и определяется пропусканием электродной системы Т, падающим потоком излучения Ф₀, частотой , коэффициентом поглощения , толщиной обедненной области d_об, диффузионной длиной неосновных носителей L_н. В итоге будет сформирован зарядовый пакет величиной:

. (4.7)

Для значений d_об = 10 мкм, L_н = 100 мкм и для видимого светового диапазона выражение в квадратной скобке будет близко к единице.

Тогда имеем

. (4.8)

Квантовый выход _ф определяется отношением фототока к поглощенному потоку излучения: