złącze prostujące

złącze prostujące, kontakt prostujący,

układ 2 stykających się ze sobą materiałów o różnym charakterze przewodnictwa elektr. (półprzewodniki, metale), mający nieliniową, asymetryczną charakterystykę prądowo-napięciową i związaną z tym zdolność prostowania prądu elektrycznego.

Właściwości prostujące złącza prostującego zależą od rodzaju użytych materiałów oraz metody wytwarzania złącza. Wynikają z powstawania w obszarze granicznym między 2 materiałami bariery potencjału (zw. też napięciem dyfuzyjnym), przeciwdziałającej dyfuzji przez złącze prostujące nośników większościowych z obszarów znajdujących się po obu jego stronach. Złącze prostujące może być utworzone z 2 warstw (typu p i n) tego samego półprzewodnika (złącze p–n), z warstwy metalu i półprzewodnika (złącze m–s, złącze Schottky’ego) lub z warstw 2 półprzewodników o różnych szerokościach pasma wzbronionego (heterozłącze).

Złącze p– n otrzymuje się ob. najczęściej stosując technologię planarną, przy czym domieszkowanie przeprowadza się metodami dyfuzji, epitaksji lub implantacji jonów; stąd wynika podział złącz p–n na: dyfuzyjne, epitaksjalne i implantowane; dawniej dużą rolę odgrywały 2 inne metody domieszkowania, tj. domieszkowanie podczas wyciągania monokryształów (złącze wyciągane) i metoda stopowa (złącze stopowe). Na styku warstw p i n, wskutek dużej różnicy koncentracji nośników ładunku, następuje dyfuzja nośników większościowych: dziur z obszaru p do obszaru n i elektronów z obszaru n do obszaru p (nośniki te po przejściu do obszarów o przeciwnym typie przewodnictwa ulegają rekombinacji). W wyniku dyfuzyjnego przepływu elektronów i dziur w obszarze graniczym warstw p i n pozostają nieskompensowane ładunki jonów domieszek, tworzące warstwę dipolową ładunku przestrzennego, zw. też warstwą zaporową (lub warstwą zubożoną, ze względu na brak w niej nośników ładunku — elektronów i dziur). Powstała warstwa dipolowa wytwarza pole elektr., a z istnieniem tego pola wiąże się powstanie bariery potencjału. Nośniki mniejszościowe (elektrony w obszarze p i dziury w obszarze n), które znalazły się przypadkowo w obszarze warstwy zaporowej (np. wskutek chaotycznego ruchu cieplnego), są unoszone do obszaru przeciwnego typu, zgodnie z kierunkiem działającego pola elektrycznego. W stanie równowagi termodynamicznej (złącze niespolaryzowane napięciem zewn.) prądy unoszenia nośników mniejszościowych są sobie równe i przeciwnie skierowane, a zatem prąd wypadkowy płynący przez złącze jest równy zeru. Przyłożenie do złącza napięcia zewn. o polaryzacji zgodnej z kierunkiem napięcia dyfuzyjnego (kierunek zaporowy) zwiększa barierę potencjału, utrudniając przechodzenie nośników większościowych przez warstwę graniczną złącza; przez złącze płynie wówczas niewielki prąd wsteczny, złożony gł. z nośników mniejszościowych, zw. prądem nasycenia. Doprowadzenie do złącza napięcia zewn. o polaryzacji przeciwnej do kierunku napięcia dyfuzyjnego (kierunek przewodzenia) obniża natomiast barierę potencjału, ułatwiając przechodzenie nośników większościowych przez warstwę graniczną złącza; przy odpowiednio dużych wartościach tego napięcia przez złącze płynie znaczny prąd, zw. prądem przewodzenia, złożony gł. z nośników większościowych. Taki sposób działania złącza p–n oznacza również, że jego opór elektr. w jednym kierunku przyłożenia napięcia jest znacznie większy (kierunek zaporowy) niż w kierunku przeciwnym (kierunek przewodzenia).

Każde złącze p–n charakteryzuje pojemność, składająca się z pojemności warstwy zaporowej C_j oraz z pojemności dyfuzyjnej C_d. Pojemność C_j jest określona przyrostem ładunku przestrzennego warstwy zaporowej, wywołanym zwiększaniem się napięcia zewnętrznego. Pojemność C_d wiąże się z procesem dyfuzji nośników mniejszościowych, wstrzykiwanych do obszarów p i n złącza w wyniku przyłożenia napięcia zewn.; wyraża ją stosunek przyrostu ładunku związanego z tymi nośnikami (gromadzącymi się w obszarze p i n złącza) do przyrostu napięcia zewnętrznego.

Złącze Schottky’ego, zw. też złączem m–s z barierą Schottky’ego, jest otrzymywane najczęściej metodą pokrywania warstwą metalu (np. glinu Al, złota Au) płytki półprzewodnika (np. krzemu Si, germanu Ge, arsenku galu GaAs) typu n (półprzewodników typu p na ogół nie stosuje się ze względu na znacznie mniejszą ruchliwość dziur niż elektronów). Właściwości prostujące złącza Schottky’ego zależą gł. od różnicy między wartościami pracy wyjścia elektronów z metalu i z półprzewodnika oraz od obecności stanów powierzchniowych półprzewodnika (dodatkowych poziomów leżących w pasmie wzbronionym); bariera potencjału na styku metal–półprzewodnik jest wynikiem istnienia ładunku przestrzennego w półprzewodniku. Spolaryzowanie złącza w kierunku przewodzenia powoduje zmniejszenie bariery potencjału dla elektronów przechodzących z półprzewodnika do metalu oraz gwałtowny wzrost natężenia prądu wraz ze wzrostem napięcia zewnętrznego. Elektrony, które przeszły z półprzewodnika do metalu, mają energię większą (tzw. elektrony gorące) niż średnia energia elektronów swobodnych metalu i b. szybko, w czasie rzędu 10^–16 s, oddają nadmiar swej energii jego sieci krystalicznej. Przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym, powodującej wzrost bariery potencjału na złączu, niemożliwy jest przepływ elektronów z półprzewodnika do metalu; przez złącze płynie jedynie niewielki strumień elektronów przechodzących z metalu do półprzewodnika wskutek ruchów termicznych. Charakterystyczne cechy złącza Schottky’ego są związane z faktem, że w metalu nie występuje magazynowanie nośników ładunku; powoduje to bardzo znaczne zmniejszenie (prawie do zera) pojemności dyfuzyjnej, a więc i pojemności całkowitej złącza i umożliwia pracę złącza w zakresie bardzo wielkich częstotliwości.

Złącze prostujące stanowi podstawową część przyrządów półprzewodnikowych (diod, tranzystorów, tyrystorów i in.). Złącza Schottky’ego są wykorzystywane jako diody Schottky’ego, zw. też diodami z elektronami gorącymi, oraz w badaniach właściwości półprzewodników.