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). Вы­прямляющий контакт образуется при контакте электронного полупроводника с металлом при условии, что работа выхода полупроводника E_Оn меньше работы выхода металла E_ОM, а также при контакте дырочного полупроводника с металлом при условии, что работа выхода дырочного полупроводника E_Ор больше работы выхода металла E_Ом.

Рассмотрим выпрямляющий контакт электронного полупроводника с металлом. На рис. 1.66, 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 Δ₀, а отрицательный заряд будет сосредоточен на поверхности металла (рис. 1.66, б). Вследствие этого энергетическая диаграмма примет вид, показанный на рис. 1.66, в, где представ­лены графики энергетических плотностей электронов F_n(E) и дырок –F_p(E). Под энергетической плотностью дырок в металле следует понимать энергетическую плотность свободных энергетических уровней, расположенных ниже уровня Ферми.

При отсутствии внешнего напряжения существуют энергетические барьеры q*Φ для электронов и q*Ψ для дырок, при этом в ходе теплового движения происходит обмен носителями заряда между металлом и полупроводником, при котором потоки электронов 1 и 2 и потоки дырок 3 и 4 уравновешивают друг друга. Если к контакту приложить внешнее напряжение плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, то барьеры снизятся на величину приложенного напряжения и потоки 1 и 3 воз­растут, а потоки 2 и 4 не изменятся. .При противоположной полярности потоки 1 и 3 исчезнут, и через контакт будут перемещаться только небольшие по величине потоки 2 и 4. Токи, создаваемые потоками носителей заряда, можно определить, рассматривая процесс обмена носителями заряда как электронную эмиссию:

,

.

Тогда

,

Результирующий ток будет равен

,

где

Таким образом, рассматриваемый контакт обладает выпрямительными свой­ствами; он хорошо пропускает ток в прямом направлении и плохо в обратном направлении. В реальных структурах потоками 3 и 4 можно пренебречь ввиду их малости. В этом случае инжекции дырок в n-полупроводник не происходит, а заряд электронов, вводимых в металл, сосредоточивается на поверхности металла. В отсутствии инжекции состоит принципиальное отличие выпрямляющего кон­такта полупроводника с металлом от обычного электронно-дырочного перехода. Такой выпрямляющий контакт находит применение в диодах Шотки.

Невыпрямляющий контакт образуется при контакте электронного полупровод­ника с металлом при условии, что работа выхода полупроводника Е_Оп больше ра­боты выхода металла E_Ом (рис. 1,67, а), а также при контакте дырочного полупро­водника с металлом при условии, что работа выхода полупроводника E_Ор меньше работы выхода металла E_Ом.

В случае невыпрямляющего контакта электронного полупроводника с металлом вблизи границы раздела в полупроводнике накапливаются основные носители заряда (рис. 1.67, 6) и образуется обогащенный слой, что сопровождается искрив­лением вниз границ энергетических зон (рис. 1.67, в). Поэтому в ходе теплового движения все электроны полупроводника могут переходить в металл (поток 1), а электроны металла, энергия которых больше E_cn, 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 полупроводнике, уменьшится, поэтому 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. Таким образом, рассматриваемый контакт одинаково хорошо пропускает ток в прямом и обратном направлениях. При этом следует иметь в виду, что ток через контакт возникает при весьма незначительном приложенном напряжении. Это объясняется тем, что в отличие от обычного р-n-перехода при и = 0 существуют большие потоки 1 и 2, компенсирующие друг друга, которые сильно изменяются при незначительном изменении напряжения, то есть контакт обладает небольшим омическим сопротивлением. В полупроводниковых приборах невыпрямляющий контакт металла с полупроводником применяют для осуществления внешних выводов от полупроводникового кристалла. При этом невыпрямляющий контакт, обладающий низким сопротивлением, включают последовательно с выпрямляю­щим р-n-переходом, обладающим высоким сопротивлением. Поэтому практичес­ки все внешнее напряжение оказывается приложенным к р-n-переходу, и падени­ем напряжения на невыпрямляющем контакте можно пренебречь.

В микроэлектронике наиболее распространенным металлом для невыпрямляющих контактов является алюминий, работа выхода которого меньше работы выхода электронного полупроводника. В этом случае для осуществления не-выпрямляющего контакта электронного полупроводника с металлом поверхность кремния дополнительно легируют донорами, превращая ее в n⁺ - слой. Концент­рация электронов в соответствии с (1.42) определяется разностью между уров­нем Ферми и уровнем Е_i. Чем больше концентрация легирующей донорной при­меси, тем ближе к нижней границе зоны проводимости расположен уровень Ферми, поэтому энергетическая диаграмма контакта принимает вид, показанный на рис. 1.68. В этом случае снижается барьер q*Φ₀ и возрастают потоки 1 и 2. При подаче прямого напряжения уменьшается барьер q*Φ₀ и возрастает поток 1, следовательно, увеличивается прямой ток. При подаче обратного напряжения барь­ер q*Φ₀ 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 сопротив­ление контакта. Подобного рода контакты используют во всех полупроводнико­вых приборах для создания внешних выводов от n-областей приборов.

Гетеропереходы

Гетеропереходом называют переход, образованный между двумя полупроводни­ками с различной шириной запрещенной зоны. Типичными примерами являют­ся переходы германий — кремний, германий — арсенид галлия, арсенид галлия — фосфид галлия и др. Используемые для создания гетеропереходов полупровод­ники имеют идентичные кристаллические структуры и близкие значения посто­янной кристаллической решетки.

Рассмотрим в качестве примера энергетическую диаграмму гетероперехода, обра­зованного полупроводником n-типа с широкой запрещенной зоной и полупровод­ником р-типа с узкой запрещенной зоной. На рис. 1.69, а показаны энергетичес­кие диаграммы разделенных полупроводников, а на рис. 1.69, б — энергетическая диаграмма контакта. При создании контакта полупроводников происходит совме­щение уровней Ферми, но в отличие от обычного р-n-перехода на металлургичес­кой границе х₀ образуются разрывы ΔE_с и ΔE_V, равные разности границ зон прово­димости и границ валентных зон соответственно. Возникающие вблизи x₀ изгибы границ зон обусловлены образованием обедненных слоев (х₀—х_n) и (х_p—х₀), содержа­щих заряды доноров и акцепторов. Величина изгибов q*φ₀₁ и q*φ₀₂ равна внутрен­ней разности потенциалов, образующейся в обедненных слоях. Сумма φ₀ = φ₀₁ + φ₀₂ представляет собой контактную разность потенциалов, определяемую разностью уровней Ферми: φ₀ = (E_F|n - E_Fp)/q. Для гетероперехода величина φ ₀ не совпадает с высотой потенциальных барьеров для электронов и дырок. Высота потенциаль­ного барьера для электронов, движущихся из п- в р-область, равна , а для дырок, движущихся из р- в n-область, она равна .В результа­те для электронов барьер оказывается ниже, чем для дырок, на величину .Поэтому при подаче прямого напряжения будет преобладать инжекция электронов в дырочный полупроводник. Аналогичным образом можно осуществить инжекцию дырок в электронный полупроводник. В этом состоит принципиальное отличие гетероперехода от обычного р-n-перехода.

В обычных p-n-переходах, как правило, всегда имеет место двусторонняя инжекция неосновных носителей заряда: электроны при подаче на переход прямого на­пряжения инжектируются в дырочную область полупроводникового кристалла, а дырки — в электронную. Изменяя концентрацию примеси в дырочной и электронной областях полупроводникового кристалла, можно получить разный уро­вень инжекции. Однако полностью исключить инжекцию неосновных носителей заряда в какую-либо область кристалла невозможно. Применение гетероперехо­дов позволяет получить одностороннюю инжекцию и тем самым существенно улуч­шить параметры полупроводниковых приборов.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит различие между поликристаллами, монокристаллами и аморф­ными веществами?

2. Как застраиваются электронные оболочки атомов по мере роста порядкового номера химического элемента в периодической таблице Д. И. Менделеева?

3. Поясните основные виды химических связей в материалах.

4. Поясните структуру кристалла алмаза.

5. Что такое кристаллографические плоскости и направления?

6. Как происходит образование энергетических зон?

7. В чем состоит различие зонных структур проводников, полупроводников и диэлектриков?

8. Поясните смысл уровня Ферми.

9. Как изменяется удельная электрическая проводимость проводников с ростом температуры и частоты?

10. Поясните зависимость удельного электрического сопротивления тонких пле­нок от их толщины.

11. Что такое удельное поверхностное сопротивление?

12. Что называется температурным коэффициентом удельного сопротивления?

13. Что представляют собой композиционные неметаллические проводниковые материалы?

14. Как классифицируют проводниковые материалы?

15. Какие металлические сплавы высокого сопротивления нашли применение в электронной технике?

16. Чем различаются мягкие итвердые припои?

17. Поясните механизм поляризации диэлектриков.

18. Что такое диэлектрическая проницаемость и как она зависит от частоты и тем­пературы?

19. Поясните механизм спонтанной поляризации.

20. Поясните природу диэлектрических потерь.

21. Поясните механизм пробоя диэлектриков.

22. Что представляют собой полимерные материалы?

23. Что представляют собой пластмассы?

24. Что представляют собой радиокерамические материалы?

25. Как классифицируютрадиоматериалы по реакции на внешнее магнитное поле?

26. Что такое ферриты и где они применяются?

27. Как протекает процесс намагничивания ферромагнетиков?

28. Что такое магнитная проницаемость?

29. Поясните природу магнитных потерь.

30. Приведите примеры магнитомягких материалов и поясните область их при­менения.

31. Приведите примеры магнитотвердых материалов.

32. В чем состоит различие между собственными и примесными полупроводни­ками?

33. Как влияет концентрация примеси на положение уровня Ферми.

34. Как изменяется проводимость полупроводников при изменении температуры?

35. Что такое время жизни и диффузионная длина неравновесных носителей за­ряда?

36. При каких условиях в полупроводнике возникает внутреннее электрическое поле?

37. Поясните механизм протекания тока проводимости и тока диффузии.

38. Как сказывается наличие дефектов кристаллической структуры на энергети­ческой диаграмме полупроводника?

39. Что такое подвижность носителей заряда и как она зависит от напряженности электрического поля?

40. Поясните механизм образования электронно-дырочного перехода.

41. Как влияет внешнее напряжение на высоту потенциального барьера и ширину перехода?

42. От чего зависит концентрация носителей заряда на границах перехода?

43. Нарисуйте вольт-амперную характеристику перехода и напишите ее уравнение.

44. Каковы особенности контакта вырожденных полупроводников?

45. Что такое выпрямляющий и невыпрямляющийконтакты полупроводника с металлом?

46. В чем состоят особенности гетероперехода?