Контакт полупроводника с металлом
При осуществлении контакта полупроводника с металлом возникает диффузия носителей заряда из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода, в результате чего происходит выравнивание уровней Ферми. В зависимости от соотношения работ выхода полупроводника и металла контакт между ними может быть выпрямляющим и невыпрямляющим (омическим).
Рассмотрим выпрямляющий контакт электронного полупроводника с металлом. Он образуется при условии, что работа выхода электронного полупроводника Еоп меньше работы выхода металла Еом На рис. 12.1,а представлены энергетические диаграммы полупроводника и металла при отсутствии контакта между ними. Если эти материалы привести в состояние контакта, то вследствие обмена носителями заряда произойдет выравнивание уровней Ферми, полупроводник зарядится положительно, а металл отрицательно. При этом положительный заряд, представляющий собой заряд ионизированных доноров, займет в полупроводнике некоторый слой толщиной D0, а отрицательный заряд будет сосредоточен на поверхности металла (рис. 12.1,б). Вследствие этого энергетическая диаграмма примет вид, показанный на рис. 12.1,в.
 | |||
 |
Рис.12.1
При отсутствии внешнего напряжения существуют энергетические барьеры qФ и qY, при этом в ходе теплового движения происходит обмен носителями заряда между металлом и полупроводником, при котором потоки электронов 1 и 2 уравновешивают друг друга. Если к контакту приложить внешнее напряжение плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, то барьер qФ снизится на величину приложенного напряжения и поток 1 возрастет, а барьер qY сохранится неизменным и поток 2 не изменится. При противоположной полярности поток 1 исчезнет, и через контакт будет перемещаться только небольшой по величине поток 2. Результирующий ток будет равен
,
где io-неизменный по величине ток, создаваемый электронами, преодолевающими неизменный по высоте барьер qY .
Таким образом, рассматриваемый контакт подобен электронно-дырочному переходу, он хорошо пропускает ток в прямом направлении и плохо в обратном направлении. При этом через контакт перемещаются только основные носители заряда - электроны. Дырки в данном случае в работе не участвуют. Поэтому инжекция дырок в n-область, как это имеет место в обычном электронно-дырочном переходе, отсутствует. В этом состоит принципиальное отличие выпрямляющего контакта полупроводника с металлом от обычного электронно-дырочного перехода. Такой выпрямляющий контакт находит применение в диодах Шотки. Аналогичными свойствами обладает контакт дырочного полупроводника с металлом при условии, что работа выхода полупроводника больше работы выхода металла.
Невыпрямляющий контакт образуется при контакте электронного полупроводника с металлом при условии, что работа выхода полупроводника Eoп больше работы выхода металла Еом (рис. 12.2)
|
|
|
|
|
| |
| |
|
|
|
|
|
Рис.12.2
В этом случае левее границы раздела в полупроводнике накапливаются основные носители заряда - электроны, перешедшие из металла в полупроводник, (рис.12.2,б), в результате чего происходит искривление вниз границ энергетических зон (рис. 1.2,в). Поэтому в ходе теплового движения все электроны полупроводника могут переходить в металл (поток 1), а электроны металла, энергия которых больше Есn, могут переходить в полупроводник (поток 2). При отсутствии внешнего напряжения потоки 1 и 2 уравновешивают друг друга, поэтому ток через контакт равен нулю. Если на контакт подать внешнее напряжение плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, то правая половина энергетической диаграммы сместится вниз относительно левой диаграммы и количество электронов, переходящих из металла в полупроводник уменьшится, в результате возрастет прямой ток, создаваемый разностью потоков 1 и 2. При противоположной полярности внешнего напряжения возрастает переход электронов из металла в полупроводник (поток 2), поэтому возрастает обратный ток. Такой контакт обладает небольшим омическим сопротивлением и одинаково хорошо пропускает ток в прямом и обратном направлениях. Аналогичными свойствами обладает контакт дырочного полупроводника с металлом при условии, что работа выхода полупроводника Еор меньше работы выхода металла Еом.
В полупроводниковых приборах невыпрямляющий контакт металла с полупроводником применяют для осуществления внешних выводов от полупроводникового кристалла. При этом невыпрямляющий контакт, обладающий низким сопротивлением, оказывается последовательно включенным с выпрямляющим р-п-переходом, обладающим более высоким сопротивлением. Поэтому практически все внешнее напряжение оказывается приложенным к р-п-переходу и падением напряжения на невыпрямляющем контакте можно пренебречь.
В микроэлектронике, как правило, применяется контакт полупроводника с алюминием, работа выхода которого меньше работы выхода электронного полупроводника. В этом случае для осуществления невыпрямляющего контакта электронного полупроводника с металлом поверхность кремния дополнительно легируют донорами, превращая ее в п+-слой (рис.12.3,а). Концентрация электронов в соответствии с (3.11) определяется разностью между уровнем Ферми и уровнем Еi. Следовательно, в легированном поверхностном слое уровень Еi должен опуститься вниз, а вместе с ним – границы запрещенной зоны, поэтому энергетическая диаграмма контакта принимает вид, показанный на рис. 12.3,б.
Рис.12.3
В этом случае снижается барьер qФ и возрастают потоки 1 и 2. При подаче прямого напряжения уменьшается барьер qФ и возрастает поток 1, высота барьера qY сохраняется неизменной, следовательно, увеличивается прямой ток. При подаче обратного напряжения барьер qФ увеличивается, поток 1 уменьшается и возрастает обратный ток, создаваемый разностью потоков 1 и 2. Следовательно, такой контакт одинаково хорошо пропускает ток в прямом и обратном направлениях, то есть является невыпрямляющим. Чем больше концентрация примеси в n+-области, тем меньше барьер qФ и соответственно меньше сопротивление контакта. Подобного рода контакты используют во всех полупроводниковых приборах для создания внешних выводов от n-областей приборов.