Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Соответствующее сопротивление для р-полупроводника
рр да Щеріх+) да l/(eNa\x+). (6.12)
§ 6.5. ПЕРЕХОДЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
В § 6.1 обсуждался вопрос о минимальном значении удельного сопротивления полупроводника, достаточном для того, чтобы можно было создать камеру с однородным полупроводником между электродами. Минимально допустимое удельное сопротивление оказалось очень большим, много больше, чем удельное сопротивление при комнатной температуре даже беспримесных кремния и германия.
* Ослабление связи электрона происходит из-за того, что кулоновские силы в твердом теле ослаблены из-за больших значений диэлектрической постоянной (12 для кремния и 16 для германия).
175 Наиболее простой логически, но не самый удобный практически способ повышения удельного сопротивления — охлаждение полупроводника. Сопротивление собственного полупроводника из-за уменьшения плотности собственных носителей резко возрастает, как это следует из (6.6) и зависимости п от температуры, приведенной в табл. 6.1. Однако, поскольку в полупроводниковых материалах всегда есть или преимущественно акцепторные, или преимущественно донорные примеси охлаждение не дает ожидаемого увеличения удельного сопротивления, так как из-за малой энергии активации, т. е. малого расстояния между примесными уровнями и краями зоны проводимости, примесные уровни остаются ионизованными вплоть до температур 10—50° К.
Существенного повышения удельного сопротивления полупроводника можно добиться двумя путями: 1) использовать свойства переходной области (перехода) между полупроводниками с разными типами проводимости и 2) создать тем или иным способом компенсированный полупроводник, а затем работать с таким полупроводником при пониженной температуре*. Однако в последнем случае возникают осложнения в области контакта такого полупроводника с металлическими электродами — внешнее электрическое поле вытягивает электроны из металла и через полупроводник течет большой ток, называемый током инжекции. Чтобы подавить ток инжекции, в качестве контактов приходится использовать высоколегированные полупроводники, следовательно, также возникают переходы между полупроводниками с равными типами проводимости.
Поэтому, прежде чем анализировать основные характеристики полупроводниковых детекторов, полезно рассмотреть некоторые свойства переходов, которые в существенной степени определяют и свойства детекторов. Для этого рассмотрим переход между проводниками п-типа и р-типа**. р—я-Переход изображен на рис. 6.5, причем число донорных примесей в л-образце несколько больше числа акцепторных примесей в р-образце. В «-области основные носители— электроны, в р-области — дырки. Из-за разности концентраций носителей происходит диффузия носителей в сторону уменьшения их градиента концентрации. Ионизованные же атомы акцепторов и доноров закреплены в решетке и двигаться не могут.
* В самое последнее время в лабораторных условиях удалось получить германий с содержанием примесей порядка IO11 атом/см3, что позволяет достичь нужного сопротивления при понижении температуры без компенсации примесей. Пока беспримесные германиевые детекторы не получили распространения, хотя их перспективность пе вызывает сомнения: одно из очевидных преимуществ — возможность хранения при нормальной температуре.
** Кроме р—л-перехода между проводниками с разным типом проводимости для создания детекторов используется еще один тип перехода •— так называемый поверхностно-барьерный, в теоретическом описании которого не достигнута еще необходимая ясность. Создается она на поверхности монокристалла полупроводника я-типа при нанесении на нее испарением в вакууме некоторых металлов или окислением поверхности на воздухе. Для создания детекторов такой переход по свойствам достаточно близок к р — л-переходу и в дальнейшем будет рассматриваться только р — л-переход.
176 Диффузия дырок и электронов вызывает в момент возникновения контакта между р- и «-полупроводниками протекание электрического тока из р- в «-область. При отсутствии источника внешнего напряжения, приложенного к р — «-переходу, после установления равновесия ток прекращается из-за появления на переходе скачка потенциала, обусловленного существованием объемного заряда в области контакта. Некомпенсированный свободными основными носителями положительный заряд доноров равен нескомпенсиро-ванному 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. Скачок потенциала может достичь нескольких десятых долей вольта, но не может быть больше ширины запрещенной зоны.
В «-полупроводнике всегда есть дырки, а в р-полупроводнике — электроны, созданные тепловыми переходами через запрещенную зону. В состоянии динамического равновесия осуществляется баланс числа носителей каждого знака, пересекающих переход в обоих направлениях. Для нашего случая значение электронного тока больше дырочного (по абсолютному значению эти токи достигают многих ампер).
