Контакты металла с полупроводником

Структура и свойства контактов металла с полупроводником зависят, в первую очередь, от взаимного расположения уровней Ферми в них. Вследствие притяжения положительными ионами решетки потенциальная энергия электронов в кристалле меньше, чем энергия электронов в вакууме. Поэтому для выхода «наружу» электрону необходимо затратить определенную энергию, т. е. совершить работу.

Считается, что в вакууме потенциальная энергия электрона ф = О (начало отсчета), а в металле ф < 0, т. е. металл является для электронов потенциальной ямой, которую они не могут свободно покинуть.

Минимальная работа выхода (при абсолютном нуле) совершается при удалении электронов, располагающихся на уровне Ферми (ф_р). Эта работа называется термодинамической работой выхода (или просто работой выхода). При температуре выше абсолютного нуля часть электронов, возбуждаясь, переходит на уровни, расположенные выше уровня Ферми. Выход «наружу» такого электрона нарушает равновесное состояние кристалла, и электроны с «низших» энергетических уровней начинают занимать более высокие уровни за счет внутренней энергии кристалла. В результате затрат энергии на восстановление равновесия кристалл «охлаждается». Если же удалить электрон с уровня ниже ф^ то переходы электронов с более высоких уровней «вниз» будут «нагревать» кристаллы высвобождающейся при переходе энергией. Рассмотрим, что происходит в контакте металл-полупроводник (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Зонные диаграммы раздельных материалов (вверху) и соответствующих контактов (внизу) после «соприкосновения слоев» и установления равновесия полупроводника:

а — p-типа: б — п-типа В случае, когда (p_Fm > (p_Fp (рис. 1.12, а), электроны переходят из металла в полупроводник p-типа. Появление дополнительных электронов в приповерхностном слое полупроводника приводит к усилению рекомбинации. В результате уменьшается количество основных носителей-дырок, и вблизи границы с металлом «образуются» нескомпенсированные ионы (отрицательных) акцепторов. Появляется электрическое поле (ЭП), которое препятствует дальнейшему притоку электронов и обеспечивает больцмановское равновесие в области контакта. Энергетические уровни оказываются искривленными «вниз».

В случае, когда (p_Fm > cp_Fn, вблизи границы с металлом образуются нескомпенсированные положительные ионы доноров, и зонные диаграммы искривляются «вверх».

При этом между поверхностью полупроводника и металла образуется ЭП, препятствующее дальнейшему переходу электронов из одного материала в другой. В обоих случаях возникает разность потенциалов U_K = (p_ms/q, при этом работа выхода изменится (в случае б — увеличится) на величину (p_ms = qU_K, определяемую как.

Напряженность поля в зазоре определится как.

а количество избыточных (или недостающих) на единицу поверхности носителей.

Толщина слоя вещества L, в котором происходит перераспределение носителей, при условии, что все поверхностные атомные слои полностью истощаются, можно оценить как.

Степень искривления зон вблизи поверхности характеризуется величиной равновесного поверхностного потенциала (p_s0. Если пренебречь ролью поверхностных состояний, то величина (p_s0 будет равна (p_ms. Таким образом, в зависимости от соотношения работ выхода Ф_т и ф₅ электроны переходят в тот или иной слой. Оба контакта, показанные на рисунках, имеют обедненные слои в приконтактной области полупроводника и обладают повышенным удельным сопротивлением, определяя сопротивление всей системы, как и в р-п-переходах.

Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шоттки. Его высота ф_х0 является аналогом величины Дф₀ в р-п- переходе. В зависимости от полярности приложенного напряжения, потенциала ф_х0 и соответственно ф_т5, сопротивление приконтактного слоя будет меняться. Если напряжение приложено «+ «к металлу, а «—» к полупроводнику, то потенциальный барьер повышается (рис. 1.12, а). Такое напряжение — обратное (запорное). При той же полярности (рис. 1.12, б) — потенциальный барьер понижается — прямое напряжение. Электроны текут из полупроводника в металл, а они здесь основные носители заряда.

Таким образом, оба контакта обладают выпрямительными свойствами и могут быть основой для построения диодов. Приборы, использующие такие контакты, называют диодами Шоттки.

В случае «—» на металле «+» на полупроводнике (рис. 1.12, а) р-типа также потенциальный барьер снижается и электроны из металла текут в полупроводник, а дырки в металл, где они являются неосновными носителями заряда.

Если поменять местами неравенства, поясняющие рис. 1.12, то вместо обедненных получим обогащенные слои, а это означает, что сопротивление системы в целом определяется нейтральным слоем полупроводника и, следовательно, не зависит от величины и полярности приложенного напряжения. Такие невыпрямляющие контакты называют омическими.