11 Барьер Мотта.

Кроме физического запирающего барьерного слоя (Шоттки) существуют также хим слои связанные с наличием на поверхности полупроводника слаболегированного слоя. Какой барьер называется химическим или барьером Мотта. В определении такого барьера имеет место резкое изменение концентрации легирующей примеси на небольшом расстоянии вблизи границы раздела. Причем это расстояние < длины Дебая.

Т к толщина слаболегированной области типа, то электрическое поле в нем является фактически построенным.

Где Jм – плотность тока насыщения.

1 4) Барьерная ёмкость p-n переходов Общая емкость p-n-перехода измеряется между выводами кристалла при заданных постоянном напряжении (смещении) и частоте гармонического напряжения, прикладываемых к переходу. Она складывается из барьерной, диффузионной емкостей и емкости корпуса кристалла: С = С_бар + С_диф + С_корп Барьерная (или зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным зарядом ионизированных атомов примеси, сосредоточенными по обе стороны от границы перехода. Эти объемные заряды неподвижны и не участвуют в процессе протекания тока. Они и создают электрическое поле перехода. При увеличении обратного напряжения область пространственного заряда и сам заряд увеличиваются, причем это увеличение происходит непропорционально. Барьерная емкость определяется как и равна

,

г де S_пер – площадь перехода. Барьерная емкость составляет десятки - сотни пикофарад. Зависимость барьерной емкости p-n перехода от напрядения:

1 - резкий переход 2 - плавный переход

17) Свойства реальной поверхности, поверхностный заряд и его влияние на свойства полупроводника.

При исследовании поверхностной электропроводности с помощью эффекта поля было установлено, что па поверхности полупроводника существует два тина поверхностных состояний: быст­рые и медленные (см. § 9.6). Быстрые участвуют в процессах рекомбинации и захвата. При комнатной температуре более длительным оказывается процесс рекомбинации, поэтому постоянные времени процесса оказываются близкими к эффективному времени жизни избыточных носителей заряда. Однако при пониженных тем­пературах, а также при очень высоких положительных и отрица­тельных значениях поверхностного потенциала преобладает про­цесс захвата носителей заряда быстрыми поверхностными состоя­ниями. Длительность этого процесса и определяет время установле­ния поверхностной электропроводности. Медленные состояния в рекомбинации не участвуют: они служат ловушками захвата носителей. В общем случае можно считать, что поверхностный заряд об­разован зарядом быстрых и медленных состояний. Соотношение между этими составляющими заряда определяется физико-химическим состоянием поверхности полупроводника и окружающей газовой среды. Опытным путем было установлено, что поверхностный заряд в основном является зарядом медленных состояний. Концен­трация медленных состояний составляет около 10¹¹—10¹³ см~². Равновесное заполнение состояний определяется их положением относительно уровня Ферми и температурой полупроводника. При изменении равновесного состояния полупроводника меняется равновесное заполнение медленных уровней, но после прекращения возбуждения происходит восстановление прежнего заряда. Скорость восстановления существенно зависит от окружающей атмосферы, что называет на адсорбционную природу медленных состояний. Появление медленных состояний связано с образованием оксидной пленки на поверхности полупроводника. На атомарно чистой поверхно­сти, исследованной в сверхвысоком вакууме, медленные состояния не обнаружены. Однако при помещении образца в обычную атмо­сферу начинается рост плотности медленных состояний, причем тем быстрее, чем выше влажность окружающей среды. Предполага­ют, что медленные состояния могут находиться как внутри окисла, так и па его поверхности. Разные значения времени захвата носи­телей заряда этими состояниями связаны с различной толщиной ок­сидной пленки. Обмен носителями между объемом полупроводника и медленны­ми состояниями происходит двумя путями: туннелированием сквозь пленку и эмиссией через потенциальный барьер. Для тонких оксид­ных пленок более вероятным становится туннельный механизм. Быстрые поверхностные состояния находятся на границе полупроводник—оксид. Будет ли быстрый уровень ловушкой рекомбинации или захвата — зависит от многих факторов. Например, во время выдержки кристалла на воздухе или в вакууме скорость рекомбинации возрастает, а скорость захвата не меняется. Кратковременный прогрев при 600-650 К уменьшает скорость рекомбина­ции, а длительная выдержка при 650 К почти не меняет скорости рекомбинации и захвата. Прогрев при более высокой температуре увеличивает скорость захвата.

6 ) Контакт металл-полупроводник Контакты между полупроводником и металлом широко используются для формирования внешних выводов от полупроводниковых приборов (невыпрямляющие контакты) и создание быстродействующих диодов и транзисторов (выпрямляющие контакты). Тип контакта полупроводник -  металл (п/п - Ме) определяется работой выхода электронов из металла в полупроводник, типом проводимости полупроводника и концентрацией примесей в нем. Сопутствующими факторами являются знак и плотность поверхно­ст­но­го заряда на границе раздела. Выпрямляющий контакт характеризуется нелинейной ВАХ, следовательно прямое сопротивление контакта (при подаче прямого напряжения смещения) меньше обратного.  Для получения выпрямляющего контакта между металлом и полупро­водником n–типа проводимости работа выхода электронов из металла, j_м, должна быть больше, чем у полупроводника, j_п, то есть разность работ выхода j_мп=j_м – j_п должна быть больше нуля (j_мп>0). Вели­чину   j_мп называют контактной разностью потенциалов. В этом случае при образовании контакта часть электронов переходит из полупроводника в металл; в полупроводнике появляется обедненный слой, содержащий положительный заряд ионов доноров. В обедненном слое возникает электриче­ское поле, препятствующее диффузии электронов к контакту (рис. 4.11, а). В контакте металла с полупроводникомp-типа работа выхода электронов из металла должна быть меньше, чем из полупроводника, то есть контактная разность потенциалов j_мп<0. При этом электроны из металла переходят в полупроводник, что приводит к уменьшению концентрации дырок в его приповерхностной области (рис. 4.11, б). На зонных диаграммах рис. 4.11 изгиб зон вверх в полупроводнике n-типа (рис. 4.11, а) и вниз в полупроводнике p-типа (рис. 4.11, б) соответствует уменьшению концентрации основных носителей, образованию обедненных слоев и потенциальных барьеров j_кn для электронов и j_кp для дырок, переходящих из полупроводника в металл. Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шотки. Его высота j_кn для электронов и j_кp для дырок является аналогом величины j_к в p-n переходе. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения высота этого барьера и, соответственно, сопротивление приконтактного слоя будут меняться. Теоретическая оценка высоты барьера j_мп сложна; на практике используются экспериментальные величины j_мп. Например, при контакте Al c n-Si высота барьера j_мп=0,72 В, а при контакте Al c p-Si высота барьера j_мп=0,58 В. Для других металлических покрытий (Au, Ag, Pt, W, PtSi, WSi) при контакте с Si или GaAs эта величина составляет 0,4…0,9 В. Равновесная ширина l обедненного слоя контакта п/п – Ме, как и для резко несимметричного p-n перехода может быть рассчитана по формуле (4.5). Чем выше высота барьера, тем больше ширина обедненного слоя. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения высота барьера j_кn для электронов и j_кp для дырок со стороны полупроводника будут меняться. Соответственно, будет изменяться и сопротивление приконтактного слоя. При этом подача отрицательного потенциала U на n-полу­про­вод­ник или положительного – на p-полупроводник соответствует прямому напряжению на контакте п/п – Ме. Смена полярности приложенного напряжения соответствует включению обратного смещения. Например, в контакте n-п/п – Ме при включении прямого напряжении U (плюсом к металлу, минусом к полупроводнику) уровень Ферми в металле, j_Fм, понижается относительно уровня Ферми в полупроводнике, j_Fn, на величину U, следовательно высота потенциального барьера, препятствующего переходу электронов из полупроводника в металл, уменьшается и становится равной j_к – U. При включении обратного напряжения (минусом к металлу) уровень Ферми j_Fм повышается относительно j_Fn на величину U, поэтому высота потенциального барьера со стороны n-полупроводника увеличивается и становится равной j_к +U. Величина контактной разности потенциалов j_мп при этом остается неизменной. Таким образом, контакты, показанные на рис. 4.10, обладают выпрямляющими свойствами и могут быть основой диодов. Диоды, использующие барьеры Шотки, называют диодами Шотки. ВАХ выпрямляющего контакта аппроксимируется уравнением, аналогичным (4.12): =10^-15 А/м² – плотность тока насыщения (уравнение  Ричардсона), B≈1,1∙10⁶ A/(м∙K)²- коэффициент, φ_мп –высота барьера металл-полупроводник. Невыпрямляющий (омический) контакт используется практически во всех полупроводниковых приборах для формирования внешних выводов от полупроводниковых областей; для него характерны близкая к линейной ВАХ и малое сопротивление. Для получения омического контакта межу металлом и полупроводником n- типа проводимости разность работ выхода j_мп<0 (т. е. работа выхода электронов из металла, j_м, должна быть меньше работы выхода из полупроводника, j_п), а между металлом и полупроводником p-типа проводимости разность работ выхода j_мп>0 (т. е. j_м>j_п ). В первом случае электроны будут переходить из металла в полупроводник и зоны искривятся "вниз" (рис. 4.12, а), а во втором случае электроны будут переходить из полупроводника в металл и зоны искривятся "вверх" (рис. 4.12, б). В таких контактах вблизи границы в полупроводнике накапливаются основные носители, то есть получаются обогащенные зоны. Наличие обогащенного слоя означает, что сопротивление контакта определяется нейтральным слоем полупроводника и, следовательно, не зависит ни от величины, ни от полярности приложенного напряжения.  Иными словами, в этом случае потенциальные барьеры для движения носителей тока со стороны полупроводника и металла практически отсутствуют.  Следует еще раз подчеркнуть, что реально в полупроводниках электронного типа проводимости существует отрицательный поверхностный заряд (см. п. 2.4.3), плотность которого, отнесенная к заряду электрона, составляет от 10¹²…10¹⁶ м^-2  (для кремния) до 10¹⁵ м^-2 (для арсенида галлия). Под действием этого заряда электроны выталкиваются из приповерхностного слоя полупроводника, что так же способствует образованию обеденного слоя. Поэтому высота барьера j_мп определяется не только разностью работ выхода, но и плотностью поверхностного заряда, а при очень высокой плотности поверхностного заряда (например, в арсениде  галлия) практически не зависит от вида металла.

4) Контактные явления. Термодинамическая работа выхода В Ме + ионы образуют крист. решетку и созд. периодическое потенциальное поле. В грубом приближении изменением потенциала можно пренебречь. Если считать энергию свободного е в вакууме равной нулю, то находясь в периодическом поле кр. Решетки он обладает – потенциальной энергией U0=eV0. Т.е. е находящийся в Ме как в потенциальной яме, выход из которой требует затрат энергии по преодолению действия поля + заряженных ионов кр. Решетки. Если считать, что е не обладает кинетической энергией, то для выхода за пределы кристалла ему потребуется энергия U0. Это и есть полная работа выхода. Т.к. е всегда облает кинетической энергией, то для выхода из Ме ему необходима энергия <U0. Наим. Работа совершается при удалении e с уровня ферми. Эту работу называют термодинамической РВ. . Если е вышел из Ме и находится на расстоянии х от поверхности, то он индуцирует в Ме на глубине х пониженный заряд. Эти заряды взаимодействуют друг с другом с силой F. Большое влияние на работу выхода оказывают мономолекулярные адсорбированные слои другого вещ. Работа вых. Из Ме может ум/ув в зависимости от энергии связи е у атома Ме и адсорбированного вещ. Если энергия связи е у атомов адсорбир. Вещ меньше чем у Ме, то атомы слоя отдают свои е атомам Ме. На поверхности образуются положительные ионы, которые индуцируют отрицательный заряд в Ме. При этом возникает эл. Поле способствующее выходу е из Ме. За РВ из п/п принимают расстояние от уровня вакуума до Еf. Сродство к е (х) – расстояние от уровня вакуума до дна зоны проводимости.