4.8. Контакт металл–полупроводник

Основную роль в контактных явлениях металл–полупроводник играет работа выхода электронов из этих материалов. Работа выхода электронов – это энергия, которую необходимо затратить для удаления электрона из твердого или жидкого вещества в вакуум. Для примера рассмотрим контакт металла с полупроводником p-типа. Предположим, что работа выхода электронов из металла _м ниже, чем из полупроводника _п. Так как энергия электронов металла больше энергии носителей заряда полупроводника, то часть электронов перейдет из металла в полупроводник. С уходом электронов из металла тонкий слой, прилегающий к месту контакта, зарядится положительно. В полупроводнике вблизи места контакта образуется слой неподвижных отрицательно заряженных ионов акцепторной примеси. В результате у границы контакта возникнут объемные заряды, и установится контактная разность потенциалов U_к. Образовавшееся электрическое поле будет препятствовать дальнейшему движению электронов из металла в полупроводник и способствовать переходу электронов из полупроводника p-типа (как неосновных носителей) в металл.

Ширина области пространственного заряда может быть определена как

,

где n_о – равновесная концентрация основных носителей заряда, L_D составляет в полупроводниках единицы микрометров, в металлах – менее 10^–4 мкм.

Если подключить внешнее напряжение плюсом к полупроводнику, минусом – к металлу (прямое включение), то возникает дополнительное электрическое поле, снижающее внутреннее электрическое поле в переходе, и через переход потечет ток, который будет увеличиваться с увеличением приложенного напряжения. При смене полярности приложенного напряжения (обратное включение) внешнее электрическое поле суммируется с внутренним и ширина области пространственного заряда возрастает, что препятствует движению электронов из металла в полупроводник, оставляя только движение электронов из полупроводника p-типа. Последнее и будет определять очень незначительный обратный ток, так как концентрация неосновных носителей зарядов в p-типа полупроводнике мала.

Таким образом, в этом случае контакт между металлом и полупроводниками образует переход, обладающий выпрямительными свойствами. Его называют барьером или переходом Шоттки.

Аналогичные процессы имеют место при контакте металла с полупроводником n-типа, когда работа выхода электронов из металла выше работы выхода электронов из полупроводника. В этом случае электроны из полупроводника переходят в металл, оставляя нескомпенсированные положительно заряженные ионы донорной примеси. Возникает контактная разность потенциалов и переход, обладающий вентильными свойствами.

При небольших обратных напряжениях основным механизмом протекания тока через переход Шоттки является термоэлектронная эмиссия, т.е. переход электронов, получивших достаточную тепловую энергию, через энергетический барьер металл – полупроводник.

При увеличении обратного напряжения возбужденные электроны, получившие достаточную энергию, проходят через энергетический барьер за счет туннельного эффекта. При дальнейшем увеличении напряжения ширина барьера увеличивается и преобладающим механизмом будет лавинное умножение и пробой полупроводника.

Определенный интерес представляет случай контакта металл–полупроводник, когда граничные слои не обеднены, а обогащены основными носителями и удельное сопротивление граничных слоев окажется значительно меньше, чем соответствующее сопротивление в объеме. Такие переходы являются основой омического контакта.

Омический контакт является обязательным элементом любого полупроводникового прибора. Зависимость между током и напряжением на омическом контакте подчиняется линейному закону – закону Ома – вне зависимости от полярности приложенного к этому контакту напряжения. Омические контакты называют еще линейными и невыпрямляющими.

Сопротивлением омического контакта является сумма сопротивлений металла и тела полупроводника. Для создания хорошего омического контакта металла с полупроводником p-типа должно выполняться условие _м < _п, а с полупроводником n-типа – _м > _п. Одним из требований к омическому контакту является отсутствие инжекции с омическим контактом, другим – минимальная величина их электрического сопротивления. Кроме того, к омическому контакту могут предъявляться и некоторые специальные требования: хорошая теплопроводность, согласование металла с полупроводником по величине температурных коэффициентов расширения, чтобы не образовывалось разрывов и трещин при изменении температуры, механической прочности и т.д.

Для выполнения некоторых требований при создании омического контакта применяют следующее:

• создание непосредственно у контакта области полупроводника с удельным сопротивлением значительно меньшим удельного сопротивления объема полупроводника;

• приплавление материала контакта к полупроводнику для получения тонкого рекристаллизованного слоя полупроводника, значительно обогащенного соответствующей при-месью;

• удаление омического контакта от p-n-перехода на максимально возможное расстояние с целью уменьшения влияния инжекции с омического контакта.