1.2. Контакты к образцам и требования к ним

При измерениях многих параметров полупроводника применяют различные контакты. Контакты металла с полупроводником можно было бы считать идеальными, если бы они не создавали никакого добавочного сопротивления для тока, не реагировали химически с исследуемым веществом и не меняли своих свойств при изменении условий освещения, температуры или величины приложенного электрического поля и не создавали эффектов выпрямления. Такие контакты обычно называют омическими. Известно, что в приконтактной области из-за обмена свободными носителями контактирующих веществ возникает ряд физических явлений. В зависимости от положения уровня Ферми и работы выхода контактирующих веществ могут возникать контактная разность потенциалов , запорные и антизапорные слои. В этом случае контакт при прохождении через него электрического тока будет иметь нелинейную вольтамперную характеристику. При измерении параметров полупроводниковых материалов необходимо, чтобы контакты были омическими.

При изготовлении омических контактов полупроводник – металл необходимо учитывать следующие факторы:

- тип проводимости полупроводника. Выбранный для контакта материал должен создавать в полупроводнике примесные центры, соответствующие данному типу проводимости полупроводника, то есть содержать донорную примесь при контакте с полупроводником n-типа и акцепторную при контакте с полупроводником p-типа; способ нанесения контакта должен обеспечивать некоторое проникновение атомов металла в полупроводник;

- работу выхода полупроводника и металла. Следует использовать металл с работой выхода меньшей, чем у полупроводника, если полупроводник n-типа , и металл с работой выхода большей, чем у полупроводника, если полупроводник p-типа ;

- механические и температурные свойства контактирующего металла. У металла должна быть хорошая теплопроводность, механическая прочность и согласованность с полупроводником по величине температурных коэффициентов расширения (чтобы не образовывались разрывы и трещины при изменениях температуры).

Для того чтобы контакты были омическими необходимо выполнение следующих требований:

1) контакт не должен выпрямлять, то есть его сопротивление не должно зависеть от направления протекающего тока;

2) должны отсутствовать нелинейные эффекты, то есть сопротивление контакта не должно зависеть от величины протекающего тока;

3) сопротивление контакта должно быть малым по сравнению с сопротивлением измеряемого полупроводника;

4) контакт должен быть механически прочным, надежным и стабильным во времени;

5) шумы контакта даже при больших токах, протекающих через контакт, должны быть малыми.

Таким образом, основными электрическими свойствами идеального омического контакта являются линейность вольтамперной характеристики, малые сопротивления контактов и отсутствие инжекции неосновных носителей.

Наиболее часто для омических контактов используют свинец, олово, их сплавы и золото. При использовании свинца или олова в них вводят в небольших количествах золото как примесь с большим эффективным сечением захвата. В качестве донорных и акцепторных примесей для контактных сплавов используют галлий, сурьму, индий, мышьяк и другие примеси.

Измерения, проведенные на омических контактах, нанесенных на германий и кремний, показали, что они обладают вольтамперными характеристиками совершенно линейными в пределах тока ± 1 А. Однако сопротивление образца с контактами оказывается больше, чем вычисленное сопротивление объема полупроводника. Эта разница в сопротивлениях обусловлена переходным сопротивлением контакта.

Поэтому вводится понятие сопротивление контакта единичной площади ρ_к, Ом/см². Величина контактного сопротивления (ρ_к) независима от всех параметров, за исключением удельного сопротивления полупроводника.

Эмпирическая формула контактного сопротивления имеет вид

, (1.1)

где А = 14, b = 1 для германия n-типа; А = 3,3, b = 1,3 для кремния n-типа; ρ - удельное сопротивление полупроводника, Ом·см.

Более строгий расчет дает следующую формулу для вычисления контактного удельного сопротивления в случае германия и кремния n-типа:

(1.2)

где ρ – удельное сопротивление материала, Ом·см; μ – подвижность носителей тока, см²/(В·с); Т – абсолютная температура, К; d – толщина слоя, см; Ф – высота потенциального барьера, эВ.