Контакт металла с полупроводником.

 

Свойства контакта с полупроводником зависят, главным образом, от взаимного расположения уровней Ферми в контактирующих материалах.

На рис. 4.5 представлены зонные диаграммы контакта металл – полупроводник n-типа. На рис. 4.5, а показан случай, когда работа выхода электрона из металла больше, чем работы выхода электрона из полупроводника. Ф_м > Ф_n.  На рис. 4.5, б при обратном соотношении Ф_м < Ф_n.  По определению работой выхода или термодинамической работой выхода, называют величину энергии, необходимую при удалении электрона с уровня Ферми на нулевой уровень, за который обычно принимают энергию электрона, вышедшего на поверхность кристалла.

Если Ф_м > Ф_n , то после установления контакта часть электронов из полупроводника перейдет в металл. Направленный поток электронов будет иметь место до тех пор, пока уровни Ферми в обоих частях системы не займут одинаковое положение. Тогда в полупроводнике вблизи границы возникнет положительный пространственный заряд, а в металле – отрицательный. Это приведет к искривлению уровней в полупроводнике и возникновению потенциального барьера высотой Δφ₀, которая равна

 

Δφ₀ = (φ_м – φ_т ) / q                                      (4.29)

 

Особенностью рассматриваемого контакта является то, что проводимость металла много больше проводимости полупроводника, и, следовательно, обедненный подвижными носителями слой будет, практически весь находится в полупроводнике. Такой слой называется запирающим или выпрямляющим.

В случае же, изображенном на рис. 4.5, б, когда Ф_м < Ф_n, энергетические зоны в приграничной области искривятся вниз, эта область окажется обогащенной основными носителями заряда и она будет мало влиять на сопротивление структуры в целом.

Следовательно, подключение внешнего источника питания в том или ином направлении не приведет к существенному изменению сопротивления структуры. Это позволяет считать рассмотренный контакт невыпрямляющим. Такие контакты называют также антизапирающими.

 

 

Металл              полупроводник             Металл ε                 полупроводник  

   -                                               ε_co                          +              _

- +                  Δφ₀q                     +     _

   - +                                      _            +                                      ε_co    

                                                                              +                                                     ε_F                                                                 ε_F                                             0                ε_F                                     ε_F

    0                                                                                                                                                          

                         Ф_м > Ф_n                                                                                          Ф_м < Ф_n

                                                         ε_v0                                                                                                          ε_v0                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             

     

           l₀                                                                                                       l₀

Рис.4.5 Зонные диаграммы контакта металл – полупроводник в                      

               равновесном состоянии:

               а)запирающего и б)антизапирающего

Очевидно, кнтакт металла с полупроводником р-типа будет обладать запирающими свойствами, если состоянии:Ф_м < Ф_n. В случае Ф_м > Ф_n контакт будет антизапирающим

а) запирающего               .

Толщина обедненного слоя в запирающем контакте определяется соотношением

 

                           (4.30)

 

При приложении внешнего напряжения

 

                    (4.31)

 

Вольтамперная характеристика запирающего контакта подобна характеристике контактов полупроводник-полупроводник с той лишь разницей, что природа обратного тока здесь несколько другая.

                         (4.32)

 

где  -тепловой ток или ток насыщения;

                               -тепловая скорость электронов;

                                   Δφ₀ - потенциальный барьер, определяемый из (4.29).

            Приборы, принцип действия которых основан на нелинейности вольтамперной характеристики при прохождении основными носителями заряда выпрямляющего контакта металл-полупроводник, получили название диоды Шотки.

Существенное отличие таких диодов состоит в том, что перенос тока в них осуществляется основными носителями заряда и не приводит к появлению процессов инжекции и экстракции неосновных носителей. Поэтому быстродействие диодов Шотки значительно выше, чем у диодов с р-n-переходниками. Они также отличаются малым падением напряжения при прямом смещении (0,3 – 0,4 В). В качестве полупроводника в них используются материалы с большой шириной запрещенной зоны, высокой подвижностью и относительно небольшим значением диэлектрической проницаемости. Наиболее часто употребляют кремний и арсенид галия. В качестве металла наиболее часто используются: золото, алюминий, медь.

Область применения антизапирающих (невыпрямляющих) контактов металл-полупроводник – это создание различного рода омических контактов с линейной вольтамперной характеристикой для присоединения внешних выводов к отдельным участкам полупроводниковой структуры.

Пример 9. Дифференциальное сопротивление диода.

Вычислить дифференциальное сопротивление диода при прямом смещении 0,1 В, Т=290 К, тепловом токе I₀ = 1 А/м², сечении перехода S=10^{-6 м2}.

Решение. Дифференцируя вольтамперную характеристику диода

 

I = I₀ [exp (U / φ_T) –1],

 

Получим дифференциальную проводимость

 

 

Подставляя сюда значение exp(U/φ_T) из предыдущего выражения получим

 

                    

Следовательно, дифференциальное сопротивление диода:

 

R_д = φ_T / (I + I₀) S

 

Значение плотности тока I определяем из уравнения вольтамперной характеристики

 

  [А/м²]

Вычисляем дифференциальное сопротивление

 

[Ом]