Тема 6. Изучение контактных явлений в планарной микроструктуре
Для освоения физических процессов, положенных в основу работы полупроводниковых приборов и планарных микроструктур, студентам предлагается задача «Исследование контактных явлений в структуре металл-полупроводник». При этом варьируется пара металл – полупроводник. Исходные данные берутся из приложений П1 для металлов и П2 для полупроводников. Для решения задач этой темы студенты могут воспользоваться программой MCAD, приведенной в приложениях П9.
Задача 6.1. Для заданной пары металл-полупроводник рассчитать и построить энергетическую диаграмму барьера Шоттки и вольт-амперную характеристику контакта в данном диапазоне температур.
Рассмотрим контакт металл - полупроводник. Если приповерхностная область полупроводника обеднена основными носителями, то в области контакта со стороны полупроводника формируется область пространственного заряда ионизованных доноров или акцепторов и реализуется блокирующий контакт, или барьер Шоттки. В полупроводниковых приборах наибольшее применение получили блокирующие контакты металл - полупроводник или барьеры Шоттки. Ток термоэлектронной эмиссии с поверхности любого твердого тела определяется уравнением Ричардсона:
,
(6.1)
где:
Φ
-
работа выхода, А- константа Ричардсона,
,
me
– масса электрона.
Для контакта металл - полупроводник n-типа выберем условие, чтобы термодинамическая работа выхода из полупроводника Фп/п была меньше чем термодинамическая работа выхода из металла ФМе. В этом случае согласно уравнению (6.1) ток термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника jп/п будет больше, чем ток термоэлектронной эмиссии с поверхности металла:
;
.
При контакте таких материалов в начальный момент времени ток из полупроводника в металл будет превышать обратный ток из металла в полупроводник, и в приповерхностных областях полупроводника и металла будут накапливаться объемные заряды - отрицательные в металле и положительные в полупроводнике. В области контакта возникнет электрическое поле, в результате чего произойдет изгиб энергетических зон. Вследствие эффекта поля термодинамическая работа выхода на поверхности полупроводника возрастет. Этот процесс будет проходить до тех пор, пока в области контакта не выровняются токи термоэлектронной эмиссии и соответственно значения термодинамических работ выхода на поверхности. На рисунке 6.1 показаны зонные диаграммы различных этапов формирования контакта металл - полупроводник. В условиях равновесия в области контакта токи термоэлектронной эмиссии выровнялись, вследствие эффекта поля возник потенциальный барьер, высота которого равна разности термодинамических работ выхода: φк = ФМе - Фп/п.Для контакта металл - полупроводник p-типа выберем условие, чтобы термодинамическая работа выхода из полупроводника Фп/п была больше, чем термодинамическая работа выхода из металла ФМе. В этом случае ток термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника jп/п будет меньше, чем ток термоэлектронной эмиссии с поверхности металла согласно уравнению (6.1). При контакте таких материалов в начальный момент времени ток из металла в полупроводник p-типа будет превышать обратный ток из полупроводника в металла, и в приповерхностных областях полупроводника и металла будут накапливаться объемные заряды - положительные в металле и отрицательные в полупроводнике.
Рис. 6.1.
Теоретическая вольтамперная характеристика контакта металл–полупроводник имеет вид (рис.6.2):
,
где e – заряд электрона; j S – плотность тока насыщения. Для контакта металл–полупроводник плотность тока насыщения можно представить в виде
,
где φк – контактная разность потенциалов.
Рис. 6.2