3. Контакт металл – полупроводник
1. Приведем
в контакт металл с работой выхода
- работа выхода полупроводника n
– типа (диаграммы уровней показаны на
рис. 9.6). При этом электроны из полупроводника
будут переходить в металл, в результате
чего контактный слой полупроводника
объединится электронами и зарядится
положительно, а металл отрицательно.
Этот процесс будет происходить до
уравнивания уровней Ферми. На контакте
образуется двойной электрический слой
d,
поле которого (контактная разность
потенциалов) препятствует дальнейшему
переходу электронов. Вследствие малой
концентрации электронов проводимости
в полупроводнике (
,
вместо
в металлах) толщина контактного слоя в
полупроводнике достигает примерно
,
т.е. в 10000 раз больше, чем в металле.
Такой контактный слой называется запирающим.
Кроме рассмотренного случая возможны еще 3 варианта контактов металл-полупроводник:
2
.
,
полупроводник n
– типа (рис. 9.7);
3. , полупроводник р – типа (рис. 9.8);
4. , полупроводник р – типа (рис. 9.9).
Р
ассмотрим
эти случаи подробнее:
2. Если (рис. 9.7), то электроны из металла переходят в n-полупроводник и образуют в контактном слое n-полупроводника отрицательный объемный заряд. Следовательно, контактный слой d обладает повышенной проводимостью, т.е. не является запирающим.
3. Если (рис. 9.8), то в контактном слое металл – р-полупроводник наблюдается избыток основных носителей тока – дырок в валентной зоне, и контактный слой обладает повышенной проводимостью, т.е. не является запирающим.
4. Если (рис. 9.9), то в контактном слое наблюдаетя избыток отрицательных ионов акцепторных уровней и недостаток дырок в валентной зоне. Контактный слой запирающий, как в случае 1 (рис. 9.6).
З
апирающий
контактный слой возникает при n
– полупроводнике с меньшей А работой
выхода, чем у металла, у р – полупроводника
при большей А, чем у металла.
Запирающий контактный слой обладает односторонней проводимостью, т.е. при приложении к контакту внешнего электрического поля он пропускает ток в одном направлении.
Е
сли
направление внешнего и контактного
полей противополож-ны – то основные
носители тока втягиваются в контактный
слой из объема полупроводника (толщина
слоя уменьшается и его сопротивление
уменьшается), это пропускное
направление.
Если совпадают, то толщина растет и сопротивление возрастает. Это направление - запорное.
4. Контакт электронного и дырочного полупроводников (p–n – переход)
Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой дырочную - проводимость, называется электронно-дырочным переходом (или p-n - переходом).
Н
апример,
на кристалл Ge
накладывают таблетку In.
Нагревают при температуре
в вакууме или в инертном газе: атомы
индия дифундируют на некоторую глубину
в германий. Затем расплав немедленно
охлаждают. Образуется p-n
– переход.
Р
ассмотрим
физические процессы, происходящие в
p-n
– переходе. Пусть донорный проводник
(
,
уровень Ферми
)
приводится в контакт с акцепторным
полупроводни-ком (
)
(рис. 9.10). Электроны из n
– полупро-водника, где на концентрацию
выше будут переходить в p
– полупроводник. Диффузия дырок
происходит в обратную сторону. В n
– полупроводник из-за ухода электронов
вблизи границы остается нескомпен-сированный
положительный объемный заряд. В p
– полу-проводнике из-за ухода дырок
образуется (отрицательный) объемный
заряд. Эти объемные заряды образуют у
границы двойной электрический слой,
поле которого направлено от
,
и препятствует дальнейшему переходу
электронов и дырок. Если концентрации
электронов и дырок одинаковы, то и
.
При определенной толщине p-n
– перехода наступает равновесное
состояние, характеризуемое выравниванием
уровня Ферми. В области p-n
– перехода энергетические уровни
искривляются, в результате чего возникают
потенциальные барьеры, как для электронов,
так и для дырок. Высота потенциального
барьера
определяется первоначальной разностью
уровней Ферми в обоих полупроводниках.
Все энергетические уровни акцепторного
полупроводника подняты относительно
уровней донорного на высоту, равную
,
причем подъем происходит на толщине
двойного слоя d.
,
а контактная разность потенциалов
составляет десятые доли вольта.
П
ри
обычных температурах равновесный
контактный слой является запирающим
(повышенное сопротивление).
Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля.
Если Е
внешнего поля совпадает по направлению
с
,
то оно вызывает движение электронов в
n
– полупроводнике и дырок в p
– полупроводнике от границы в
противоположные стороны (рис. 9.11). В
результате запирающий слой расширяется.
Такое напряжение называется запирающим
(обратным).
Если Е направлено навстречу , то такое включение прямое. Вольт-амперная характеристика n-p контакта приведена на рисунке 9.12. Совершенно очевидно применение свойства односторонней проводимости системы: выпрямление переменного тока. Именно на этом принципе действуют полупроводниковые диоды.
Литература
1, глава X, § 62 64.
2, глава 31, § 246 248.
3, глава 42. §421 424.