Физические процессы в контактах ПП с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереходы), металл - ПП

Особенность квантоворазмерных структур: фотопроводимость, фотогальванический эффект, эффект Холла. Контакты ПП - металл. Структура и свойства контактов металл-полупроводник зависят в первую очередь от взаимного расположения уровней Ферми в том и другом слое. На рисунке 5.10 вверху показаны зонные диаграммы разделенных слоев, а внизу - зонные диаграммы соответствующих контактов (после «соприкосновения» слоев и установления равновесия).

а – контакт с полупроводником р-типа; б - контакт с полупроводником n-типа

 

Рисунок 5.18 – Зонные диаграммы выпрямляющих контактов металла с полупроводником

 

Выпрямляющие контакты. На рисунке 5.18,а показаны зонные диаграммы для случая, когда φFm > φFp. Такое соотношение означает, что заполненность зоны проводимости в полупроводнике меньше, чем заполненность такого же энергетического участка в металле. Поэтому после «соприкосновения» слоев часть электронов перейдет из металла в полупроводник р-типа. Появление дополнительных электронов в приповерхностном слое полупроводника приводит к усиленной рекомбинации. В результате уменьшается количество основных носителей - дырок, и вблизи границы с металлом «обнажаются» некомпенсированные отрицательные ионы акцепторов. Появляется электрическое поле, которое препятствует дальнейшему притоку электронов и обеспечивает больцмановское равновесие в области контакта. Энергетические уровни оказываются искривленными «вниз».

На рисунке 5.18, б показаны зонные диаграммы для случая φFm < φFn, когда после соприкосновения слоев электроны переходят из полупроводника n-типа в металл. Соответственно вблизи границы с металлом «обнажаются» некомпенсированные положительные ионы доноров, а зоны искривляются «вверх».

Область искривления зон (т.е. область объемных зарядов) в обоих случаях имеет протяженность, обычно до-0,2 мкм.

Контакты такого рода в настоящее время создаются напылением металла на полупроводник в вакууме.

Обмен электронами между металлом и полупроводником обычно характеризуют не разностью «исходных» уровней Ферми, а разностью работ выхода. Работой выхода электрона из твердого тела называют энергию, необходимую для вылета за пределы кристалла (т.е. для термоэмиссии). На зонных диаграммах работа выхода есть энергетическое «расстояние» между уровнем свободного электрона вне твердого тела и уровнем Ферми. На рисунке 5.18 работы выхода из металла и из полупроводника обозначены соответственно через φM и φS. Разность работ выхода φMS = φM – φS выраженную в вольтах, называют контактной разностью потенциалов.

В зависимости от соотношения работ выхода φM и φS электроны переходят в тот или иной слой. Если φM < φS (т.е. φMS < 0), то электроны переходят из металла в полупроводник (рисунок 5.18, а), если же φM > φS (т.е. φMS > 0), то электроны переходят из полупроводника в металл (рисунок 5.18, б).

Степень искривления энергетических зон вблизи поверхности (рисунок 5.18) характеризуется величиной равновесного поверхностного потенциала φS0. Если пренебречь ролью поверхностных состояний, то величина φS0 будет равна контактной разности потенциалов φMS.

Оба контакта, показанные на рисунке 5.18, характерны наличием обедненных слоев в приконтактном слое полупроводника. Здесь концентрация основных носителей меньше по сравнению с равновесной, сохранившейся вдали от контакта. Следовательно, такой приконтактный слой обладает повышенным удельным сопротивлением и поэтому определяет сопротивление всей системы.

Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шоттки. Его высота φS0 является аналогом величины Δ φ0 в р-n-переходе. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения потенциал φS и соответственно сопротивление приконтактного слоя будут меняться.

Так, если напряжение приложено плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, то потенциальный барьер в контакте на рисунок 5.18, а повышается. Тогда приконтактный слой еще больше обедняется основными носителями - дырками и, следовательно, будет иметь повышенное сопротивление по сравнению с равновесным. Значит, напряжение с этой полярностью является для данного контакта обратным. В контакте на рисунке 5.18, б при той же полярности напряжения потенциальный барьер понижается, приконтактный слой обогащается основными носителями - электронами и его сопротивление будет меньше равновесного. Значит, напряжение с этой полярностью является для данного контакта прямым.

Таким образом контакты, показанные на рисунке 5.18, обладают выпрямляющими свойствами и могут быть основой диодов. Диоды, использующие барьеры Шоттки, называют диодами Шоттки.

Вариантом выпрямляющих контактов является контакт, в котором вблизи границы с металлом образуется инверсионный слой, т.е. слой с противоположным типом проводимости.

Зонная диаграмма контакта, содержащего инверсионный р-слой, показана на рисунке 5.19. Этот случай характерен для сильного искривления зон, т.е. для больших контактных разностей потенциалов φMS, когда вблизи границы уровень электростатического потенциала пересекает уровень Ферми. Толщина инверсионного слоя, как уже отмечалось, не превышает 1-2 нм.

Рисунок 5.19 – Зонная диаграмма контакта, при котором образуется инверсионный слой

 

Диоды Шоттки. Важнейшей особенностью диодов Шоттки по сравнению c p-n-переходом является отсутствие инжекции неосновных носителей. Эти диоды, как говорят, работают на основных носителях. Отсюда следует, что у диодов Шоттки отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе. Отсутствие диффузионной емкости существенно повышает быстродействие диодов при изменениях токов и напряжений, в том числе при переключениях с прямого направления на обратное и с обратного на прямое. Время таких переключений определяется только барьерной емкостью и у диодов с малой площадью может составлять десятые и сотые доли наносекунды. Соответствующие рабочие частоты лежат в пределах 3-15 ГГц.

Не менее важной особенностью диодов Шоттки является значительно меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжением на p-n-переходе. Это объясняется тем, что ВАХ у диодов Шоттки описывается, также что и у диодов p-n-переходом, но тепловой ток существенно больше, поскольку диффузионная скорость D/L, характерная для р-n-перехода, у диода Шоттки заменяется на среднюю тепловую скорость носителей υT. Последняя превышает величину D/L примерно на 3 порядка. В таком же отношении различаются и тепловые токи. Тогда следует, что прямое напряжение у диодов Шоттки будет примерно на 0,2 В меньше, чем p-n-перехода. Типичным для диодов Шоттки являются прямые напряжения 0,4 В. Что касается обратных токов, то они могут составлять, в зависимости от площади, до 10-11 - 10-12 А, т.е. близки к реальным обратным токам кремниевых р-n-переходов, определяемым термогенерацией.

Еще одна особенность диодов Шоттки состоит в том, что их прямая ВАХ строго подчиняется экспоненциальному закону в очень широком диапазоне токов - на протяжении нескольких декад, например, от 10-12 до 10-4 А. Отсюда следует возможность использовать в качестве прецизионных логарифмических элементов.

Качественные барьеры Шоттки образуются в кремнии при контакте с: молибденем, золотом, нихромом, платиной, алюминием.