Контактные явления
В зависимости от конкретной задачи к контакту различных материалов предъявляют определенные требования:
1. Омический контакт – должен:
- обладать малым сопротивлением,
- не искажать форму сигнала,
- не создавать в цепи электрических шумов.
Вольт-амперная характеристика такого контакта линейная.
2. Нелинейный контакт осуществляет нелинейное преобразование сигнала:
- выпрямление,
-модуляцию,
- умножение частоты,
- формирование сигнала и др.
Такие контакты имеют ярко выраженную нелинейную характеристику со специальными требованиями в каждом конкретном случае.
Простой механический контакт двух материалов никогда не дает желаемых результатов, т.к. при этом на соприкасаемых поверхностях сохраняются атомы и молекулы адсорбированных газов, поверхностные окисные пленки, поверхность содержит много дефектов структуры – царапины, выступы и т.п. Однородный контакт получить невозможно.
Для получения контактов используют метод вытягивания из расплавов с переменным составом или методы диффузии примесей, эпитаксиальной наращивание, вакуумное напыление.
Эпитаксиальным наращиванием называется процесс роста слоев, кристаллическая решетка которых определенным образом ориентирована относительно исходного кристалла – подложки.
Очень эффективен метод получения p – n перехода путем легирования полупроводника необходимой примесью с помощью ионного пучка – метод ионного внедрения.
Контакт металл – полупроводник.
Электроны проводимости взаимодействуют с ионами кристаллической решетки и удерживаются в твердом теле за счет электростатических сил.
Для преодоления этих сил и выхода за пределы твердого тела электрону необходимо совершить некоторую работу, т.е. иметь запас дополнительной энергии.
Работой выхода называется энергия, которая необходима для перехода электрона со дна зоны проводимости (уровня Ферми) – минимальная энергия свободного электрона в проводнике до уровня свободного электрона в вакууме. Причем скорость электрона в вакууме (вне твердого тела) равна нулю.
Внешняя работа выхода определяется свойствами кристаллической решетки составляет для различных металлов и полупроводников от 1 до 6 зВ.
Т.о. электроны проводимости в кристаллах отделены от вакуума потенциальным барьером высотой Wа. Несмотря на значительную величину этого потенциального барьера, часть электронов проводимости может его преодолеть, т. е. выйти за границы кристалла.
При контакте металла с полупроводником возникает контактная разность потенциалов, определяемая разностью работ выхода электронов из этих материалов.
WΣ = Wм – Wп/п
φ = WΣ /q
φ – контактная разность потенциалов.
В зависимости от соотношения работ выхода и типа электропроводности полупроводника возможны четыре типичных ситуации при контакте металла и полупроводника.
Рассмотрим возможные варианты:
1. Пусть работа выхода из металла больше, чем работа выхода их полупроводника с электронной проводимостью
WМ > WП/П n
Если привести эти материалы в идеальное соприкосновение, из-за разности работ выхода, электроны из полупроводника устремятся в металл.
В результате, на поверхности металла образуется отрицательный заряд, который будет препятствовать дальнейшему переходу электронов в металл из полупроводника.
В равновесном состоянии между металлом и полупроводником установится разность потенциалов, которая уравновешивает диффузионный ток электронов из полупроводника в металл, образовавшийся за счет разности работ выхода, и и дрейфовый поток электронов их металла в полупроводник, возникающий за счет разности потенциалов на контакте.
Приконтактный слой полупроводника обедняется основными носителями заряда, в нем остаются нескомпенсированные положительные ионы донорной примеси. Этот слой обладает повышенным сопротивлением. Его называют запирающим
2. Пусть работа выхода из металла меньше, чем работа выхода их полупроводника с электронной проводимостью
WМ < WП/П n
При контакте электроны из металла будут переходить в полупроводник, обогащая приконтактный слой основными носителями заряда и создавая слой повышенной проводимости, который называется обогащенным.
3. При контакте металла с акцепторным полупроводником, при условии, что работа выхода из металла больше, чем работа выхода из полупроводника
WМ > WП/П p
в момент контакта, часть электронов из полупроводника перейдет в металл.
В результате в полупроводнике в приконтактной области образуется обогащенный слой (основные носители заряда дырки), т.е. сопротивление уменьшится.
4. Если при контакте металла с акцепторным полупроводником работа выхода из металла меньше, чем работа выхода из полупроводника
WМ < WП/П p
в приконтактном слое образуется запирающий слой, т.к. часть основных носителей заряда – дырок рекомбинируют с электронами из металла и сопротивление возрастет.
При большой разности работ выхода электронов из металла и полупроводника в приконтактном слое может произойти смена типа проводимости. Т.е. в полупроводнике n-типа может возникнуть дырочныя проводимость за счет того, что при обеднении приконтактного слоя основными носителями заряда – электронами их концентрация становится меньше, чем концентрация неосновных носителей заряда – дырок. Такой слой называется инверсным.
Инверсный слой может образоваться и в дырочном полупроводнике, если работа выхода электрона из металла существенно меньше, чем работа выхода из полупроводника p – типа.
При приложении к системе металл-п/п внешнего электрического поля напряжением U с полярностью, противоположной полярности контактной разности потенциалов, потенциальный барьер снизится на величину qU, т.е. сопротивление будет уменьшаться (прямое направление).
В случае, когда qU = WΣ, потенциальный барьер исчезнет, а в приконтактном слое удельное сопротивление будет таким же, как во всем объеме полупроводника. Ток через контакт будет значительным.
Если внешнее поле совпадает по направлению с полярностью приконтактной разности потенциалов, то высота потенциального барьера увеличится, т.е. увеличится ширина обедненного слоя и сопротивление контакта. Такое напряжение (внешнее поле) называется запирающим.
Вольт-амперная характеристика контакта металл – полупроводник выглядит также, как характеристика выпрямляющего контакта.