4.6. Барьер Шоттки в неравновесных условиях
Неравновесные условия на контакте Шоттки возникают при воздействии внешних полей, в частности, электрического поля. Различают прямое и обратное смещение контакта. Прямое смещение соответствует случаю, когда внешнее электрическое поле компенсирует внутреннее контактное, при этом контакт проводит ток. При обратном смещении внешнее поле направлено по контактному (увеличивается барьер), и контакт не проводит ток.
4.6.1. Прямое смещение
Для контакта Шоттки металл – полупроводник прямое смещение соответствует подаче плюсовой полярности на металл и минус – на полупроводник (рисунок 4.10).
В прямом смещении происходит понижение барьера со стороны полупроводника (внешнее поле выделяется в ОПЗ, которое имеет большое сопротивление), а следовательно, к увеличению концентрации подвижных носителей заряда
Рисунок
4.10 - Прямое смещение контакта, уменьшение
барьера и толщины ОПЗ при прямом смещении
.
(4.14)
При этом электроны нейтрализуют часть ионов доноров и толщина ОПЗ уменьшается в соответствии с результирующим потенциалом (4.13)
.
(4.15)
Термодинамическое равновесие нарушается. В цепи источника будет протекать ток. Поток электронов из полупроводника в связи со снижением барьера будет значительно больше потока электронов из металла, так как энергия электронов в металле не изменяется (рисунок 4.11).
Плотность потока можно выразить через поток электронов:
j
= qn
,
где
– скорость электронов.
Рисунок
4.11 - Энергетическая диаграмма контакта
Шоттки
в прямом смещении
Тогда:
,
где
– тепловой потенциал электрона;
jM = jM0 = jn0 = qn(0) – равновесная плотность потока из металла.
В прямом смещении плотность тока экспоненциально возрастает с напряжением, так как по экспоненте увеличивается концентрация подвижных носителей заряда (4.14) . Вольтамперная характеристика (ВАХ) сверхлинейна, поэтому сопротивление контакта уменьшается с ростом тока или напряжения:
Ом.
Таким образом, в прямом смещении контакт Шоттки обладает малым сопротивлением и проводит ток, природа которого определяется надбарьерной эмиссией основных носителей заряда из полупроводника. Это обстоятельство очень важно для применения контакта Шоттки в СВЧ диапазоне.
Максимальное прямое падение напряжения определяется контактной разностью потенциалов U0 (рисунок 4.12, а) и составляет (0,2 – 0,7)B. При больших плотностях токов барьер не исчезает до нуля. Он устанавливается на величине φТ – теплового потенциала электрона, при этом толщина барьера составляет длину Дебая:
.
а) б)
Рисунок
4.12 - ВАХ в прямом смещении (а) и
энергетическая диаграмма
контакта Шоттки
при больших токах (б)