2.3.4. Омические контакты

Обязательным элементом каждого прибора является так называемый омический контакт. Он обеспечивает соединение полупроводникового кристалла с внешним выводом. Омический контакт это обычно контакт металл - полупроводник. В случае контакта металла с полупроводником п - типа при условии, что работа выхода металла меньше работы выхода полупроводника (Ф_Ме < Ф_пп), или же в случае контакта металла с полупроводником р - типа, когда Ф_Ме > Ф_пп, вблизи границы образуется слой с повышенной концентрацией основных носителей. Такой переход, обладающий повышенной по сравнению с объемом полупроводника удельной проводимостью, называют омическим, так как он не обладает униполярными свойствами. При подключении прямого и обратного напряжения изменяется лишь степень обогащения основными носителями приконтактного слоя.

Для омических контактов характерны следующие особенности:

- близкая к линейной вольт-амперная характеристика. Вольт-амперная характеристика омического контакта должна подчиняться закону Ома I = U/R вне зависимости от полярности приложенного напряжения. Контакт, имеющий линейную вольт-амперную характеристику, не выпрямляет протекающий через него переменный ток, то есть является невыпрямляющим. Таким образом, омический контакт должен иметь линейную и симметричную вольт-амперную характеристику;

- омический контакт должен быть неинжектирующим, то есть через омический контакт должна отсутствовать инжекция неосновных носителей заряда в прилегающую область полупроводника, накопление неосновных носителей в омическом переходе или вблизи него;

- омические контакты должны иметь минимальное электрическое сопротивление, не зависящее от направления и значения тока в рабочем диапазоне токов;

- металл перехода должен обладать высокой электро- и теплопроводностью и температурным коэффициентом расширения (ТКР), близким к ТКР полупроводника;

- омические контакты должны иметь стабильные электрические и механические свойства.

Обычно для создания омического контакта используют следующие металлы: свинец, олово и их сплавы, золото, алюминий.

Создание омических контактов представляет собой довольно сложную задачу. Одним из способов улучшения свойств омического контакта является применение в качестве полупроводника п⁺-п или р⁺-р-структуры, то есть в качестве омического контакта необходимо использовать структуру т-п⁺-п или т-р⁺-р, где через т обозначен слой металла. Типичная структура омического контакта приведена на рис. 2.50.

Рис. 2.50. Зонные диаграммы омического контакта:

а - равновесное состояние; б - обратное напряжение;

в - прямое напряжение

Эта структура состоит из двух переходов: т-п⁺ и п⁺-п, п⁺-слой сильно легирован (порядка 10¹⁹ см^-3). Поскольку степень легирования п⁺-слоя велика и полупроводник вырожден, то толщина ОПЗ между металлом и п⁺-полупроводником чрезвычайно мала (2 - 3 нм) и носители заряда беспрепятственно преодолевают барьер за счет туннельного эффекта. п⁺-слой имеет удельное сопротивление во много раз меньше, чем удельное сопротивление объема полупроводника. Так как приконтактная область будет характеризоваться высокой концентрацией примесей, инжекция неосновных носителей в ней будет ослаблена.

Оба перехода т-п⁺ и п⁺-п не являются инжектирующими и не обладают вентильными свойствами. В целом структура т-п⁺-п ведет себя как омическое сопротивление при любой полярности напряжения. Рассмотрим механизм протекания токов. Пусть напряжение приложено минусом к п-области, плюсом к металлу. Тогда потенциалы слоев п⁺ и п повысятся, высота барьера п⁺-п увеличится, а высота барьера т-п⁺ уменьшится (рис. 2.50, б). Электроны из слоя п будут свободно переходить в слой п⁺ независимо от высоты барьера п⁺-п, а понижение барьера т-п⁺ обеспечит переход электронов из п⁺-слоя в т-слой. Пусть теперь напряжение приложено плюсом к п - области. При этом потенциалы п⁺ и п слоев понизятся и высота барьера п⁺-п сделается меньше; соответственно электроны п⁺-слоя смогут переходить в п-слой. Барьер т-п⁺ повысится, но так как он очень тонкий, то электроны слоя т будут проходить его за счет туннельного эффекта, как показано на рис. 2.50, в.

Таким образом, важнейшим свойством омического контакта является его двухсторонняя проводимость.

Другое важное свойство связано с ничтожным временем жизни носителей в п⁺-слое, поскольку он сильно легирован и имеет малое удельное сопротивление. Интенсивная рекомбинация в п⁺-слое и отсутствие инжекции делают повышение концентрации в области омического контакта редким явлением. Поэтому считают, что концентрация электронов и дырок на омическом контакте имеют равновесные значения.