Переходы в полупроводниках
Работа всех существующих полупроводниковых детекторов основана на использовании свойств перехода между полупроводниками с разным типом проводимости. На рис. 3.5 изображен р–n-переход, причем число донорных примесей в образце больше, чем число акцепторов в p-образце.
Сами ионизированные атомы акцепторов и доноров закреплены в решетке и двигаться не могут, но носители при Т > 0 оК могут диффундировать, если существует градиент концентрации носителей данного знака. Диффузия, как дырок, так и электронов вызывает протекание электрического тока из p-области в n-область. При отсутствии источника внешнего напряжения, приложенного к р-n-переходу, после установления равновесия ток прекращается из-за появления на переходе скачка потенциала, который возникает из-за существования объемного заряда в области контакта полупроводников с разными свойствами. Не скомпенсированный свободными основными носителями положительный заряд доноров будет равен не скомпенсированному отрицательному заряду акцепторов. Высота потенциальной ступеньки зависит от числа и диффузионной способности носителей, которые, в свою очередь, являются функциями температуры, числа примесей и т.д. Величина скачка потенциала может достичь нескольких десятых долей вольта, но не может быть больше, чем ширина запрещенной зоны, в случае, если полупроводники с разными типами проводимости изготовлены из одного материала, например кремния.
Рис. 3.5. Равновесный р – n-переход
В материале n-типа всегда присутствуют дырки, а в материале p-типа – электроны, созданные тепловыми переходами через запрещенную зону. В нашем примере более сильного легирования п материала плотность не основных носителей (электронов) в p-области много больше плотности не основных носителей (дырок) в п-области. В состоянии равновесия осуществляется баланс для числа носителей каждого знака, пересекающих переход в обоих направлениях. Для нашего случая значения электронного тока больше дырочного (по абсолютному значению эти токи достигают многих ампер).
Полупроводник с р-n-переходом может использоваться для детектирования заряженных частиц даже при отсутствии внешнего источника напряжения, поскольку внутри такого полупроводника существует область, в которой напряженность электрического поля отлична от нуля. Если через эту область пролетает заряженная частица и создает свободные носители, то они, перемещаясь под действием электрического поля, создадут сигнал во внешней цепи детектора. Однако ширина области объемного заряда в р-n-переходе без внешнего смещения мала (<10-4 см), что приводит, во-первых, к малому чувствительному объему детектора, и, во-вторых, к .малой величине сигнала по сравнению с шумом, так как собственная емкость перехода велика. Чувствительную область детектора, т.е. область, в которой существует электрическое поле, можно увеличить, прикладывая к переходу обратное смещение, т.е. к n-области присоединить плюс источника напряжения, а к p-области – минус. Обратное смещение помогает напряжению, возникшему на р-n-переходе, удалять свободные носители из области вблизи перехода. В результате чувствительный объем детектора, т.е. объем обедненного носителями слоя, в котором существует электрическое поле, увеличивается, а емкость перехода уменьшается. Рассмотрим свойства р-п-перехода с обратным смещением (рис. 3.6), причем n-область сильно легирована, а p-область – слабо. Свободные носители «выметены» электрическим полем из обедненной области толщиной d, и дипольный слой состоит почти полностью из закрепленных ионизированных доноров и акцепторов.
Почти полное отсутствие свободных носителей в обедненной области означает, что удельное сопротивление материала в ней гораздо больше, чем удельное сопротивление полупроводника, вне перехода. Высокое удельное сопротивление материала – основное условие работы полупроводникового детектора.
На рис. 3.6 показаны также распределения потенциала и напряженности электрического поля в переходе. Изображены они с резкими границами, что, конечно, условно, поскольку реально плотность носителей, а соответственно и все остальные величины, изменяются плавно.
Рис. 3.6. Распределения потенциала и напряженности электрического поля в переходе: p– n - переход с обратным смещением
По порядку величины плотность свободных носителей в области перехода меньше плотности вне перехода в отношении Δt/τ, где Δt – среднее время нахождения носителя в области перехода; τ – время жизни носителей относительно рекомбинации в отсутствие напряжения смещения. Величина Δt – время, за которое носитель выметается электрическим полем из перехода, – уменьшается при увеличении смещения на переходе. При больших обратных смещениях (соответствующих реальным) можно предполагать при расчетах, что в слое объемного заряда совсем нет свободных носителей.