МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

по курсу «ФТТ и ПП»

Определение электрофизических параметров контакта металл - полупроводник ПО ЕГО вольтамперноЙ ХАРАКТЕРИСТИКЕ

Москва 2011

ФТТ и ПП

Определение электрофизических параметров контакта металл - полупроводник по его вольтамперной характеристике

1. Цель работы.

Цель настоящей работы - изучение свойств контакта металл–полупроводник (МП), методов определения высоты потенциального барьера, методики измерения статической вольтамперной характеристики (ВАХ) и определения по ней высоты потенциального барьера контакта Φ_B=eφ_B, показателя неидеальности n и последовательного сопротивления R_S.

Измерения проводятся при комнатной температуре на структурах металл – n-кремний или металл – n-арсенид галлия

2. Контакт металл-полупроводник, идеализированная модель

На основе контактов МП создано большое количество различных типов активных и пассивных элементов электронной и микроэлектронной техники, таких как силовые диоды, варикапы, смесительные диоды, биполярные транзисторы Шоттки, полевые транзисторы с затвором Шоттки и др. Кроме того, контакты МП используются для исследования электрофизических характеристик полупроводниковых материалов. В связи с этим физические свойства этих контактов изучены достаточно хорошо, а технология их создания прекрасно отработана.

Барьер Шоттки - это потенциальный барьер, образующийся в приконтактном слое полупроводника, граничащем с металлом. Назван по имени немецкого учёного В.Шоттки (W. Schottky), исследовавшего контакты с такими потенциальными барьерами в 1939 году. Для возникновения потенциального барьера необходимо, чтобы работы выхода металла и полупроводника были различными.

Работа выхода - это энергия, затрачиваемая на удаление электрона из твёрдого тела в вакуум. Различают термодинамическую работу выхода и внешнюю работу выхода.

Термодинамическая работа выхода - разность между энергетическим уровнем электрона в вакууме E₀ и энергией Ферми E_F в твердом теле.

Внешняя работа выхода  (или электронное сродство) – это разность между энергией электрона в вакууме E₀ и энергией дна зоны проводимости E_C.

Для металла термодинамическая работа выхода составляет Ф_M=e_M, а в полупроводнике n-типа проводимости она равна Ф_s=+eV_n, где  - электронное сродство, а eV_n - положение уровня Ферми в запрещенной зоне.

),

где N_C – эффективная плотность состояний в зоне проводимости, N_D – концентрация донорной примеси.

При сближении полупроводника n-типа проводимости с металлом, имеющим большую, чем у полупроводника, работу выхода Ф_M, металл заряжается отрицательно, а полупроводник - положительно, так как электронам легче перейти из полупроводника в металл, чем обратно (при сближении полупроводника р-типа с металлом, обладающим меньшей Ф_M, металл заряжается положительно, а полупроводник - отрицательно). При установлении равновесия между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов (рис.1): U_k=_B=Ф_B/e =(Ф_M-Ф_s)/e (e=1.602e-19 Кл – абсолютная величина заряда электрона). Из-за большой электропроводности металла электрическое поле в него не проникает, и разность потенциалов U_k создаётся в приповерхностном слое полупроводника. Направление электрического поля в этом слое таково, что энергия основных носителей заряда в нём больше, чем в объеме полупроводника. Это означает, что в полупроводнике n-типа энергетические зоны в приконтактной области изгибаются вверх, а в полупроводнике р-типа - вниз. В результате в полупроводнике вблизи контакта с металлом при Ф_M>Ф_s для полупроводника n-типа, или Ф_M<Ф_s при для полупроводника р-типа возникает потенциальный барьер. При непосредственном контакте металла с полупроводником их уровни Ферми при термодинамическом равновесии должны совпадать.

При идеальном контакте металла с полупроводником n-типа высота потенциального барьера _B и величина изгиба зон в полупроводнике _D=e_D соответственно составляют

,	(1)
.	(2)

Зонная энергетическая диаграмма контакта металл-полупроводник n-типа проводимости в состоянии термодинамического равновесия представлена на рис.1(б).

Рис.1. Энергетические зонные диаграммы структуры металл-полупроводник:

а) в отсутствии контакта; б) после образования контакта в условии термодинамического равновесия.