книги из ГПНТБ / Смирнов В.И. Теория конструкций контактов в электронной аппаратуре

слоя к следующему выражению:

шоттковского механизма переноса зарядов является линейность зависимости наклона вольт-амперных кри­ вых, построенных в шоттковских координатах, от обрат­ ной абсолютной температуры 1/Т.

В случае полупроводникового слоя, толщина которо­ го достаточна для формирования области пространствен­ ного заряда, зависимость напряженности поля у инжек­ тирующего контакта имеет более сложный характер:

сти пространственного заряда, которая, в свою очередь, зависит от напряжения U и концентрации N ионизиро­ ванных донорных примесей /г-типа:

s' = V2e(U -UB) jeN.

Преобладающий механизм проводимости окисла. Опи­ санные выше механизмы проводимости весьма чувстви­ тельны к толщине пленки окисла, к величине электрон­ ной работы выхода из контактных пленок и температуре системы.

Согласно [1, с. 403] при толщине диэлектрического

о

слоя 20 А и прочих равных условиях плотности токов, обусловленных термоэлектронным и туннельным меха­ низмами, становятся равными лишь при температуре

30

1090 К, а в случае диэлектрического слоя толщиной

10 А — при температуре 2230 К. При комнатной темпе­ ратуре туннельная проводимость преобладает при тол-

о

щине пленки до 40 А [20]. На рис. 1.13 показаны области преимущественной проводимости туннельного и шоттков-

дефектов (механизмом Пула—Френкеля), туннелированпемэлектронов в ловушки и т. д. Величина прово­ димости, вызванной действием этих механизмов, очень мала и, если контактные элементы разделены такой пленкой, данные изделия вряд ли можно рассматривать как электрический контакт.

Переходное сопротивление прижимного контакта. Если на контактном пятне имеется участок металлического контакта, то он практически полностью шунтирует те участки, в которых контактные элементы разделены изо­ лирующими пленками. Электрический ток, протекающий через пленки, обычно не превышает долей процента об­ щего тока через пятно. Поэтому для такого пятна мож­ но считать, что переходное сопротивление представляет собой последовательное соединение сопротивлений стя­ гивания в обоих контактных элементах и сопротивления, вызванного искажением кристаллических решеток в приконтактной области. Последним, как правило, можно пренебречь. Тогда

(1.17)

31

ном в первом и втором контактных элементах соответст­ венно.

Если вся площадь контактного элемента покрыта тонкой изолирующей пленкой и проводимость через него обусловлена, следовательно, только квазнметаллическими механизмами, то

ные каналы. Если напряжения, получающиеся при

32

в каналы, создавая проводящие мостики. После образо­ вания первых мостиков переходное сопротивление кон­ такта сильно падает и напряжение на нем резко умень­ шается, в результате чего не появляются новые мостики. При разъединении контактных элементов эти нитевид­ ные образования легко разрушаются. Процесс их разру­ шения обычно совершенно не ощущается.

В-фриттинг. Если уже имеется участок с металличе­ ским контактом, окруженный тонкой пленкой потускне­ ния, то В-фриттинг проявляется в отступлении пленки и расширении участка с металлическим контактом.

Механизм В-фриттинга не является вполне ясным до настоящего времени.

Очевидно, если после возникновения А-фриттинга на­ пряжение на контакте в силу каких-либо причин остает­ ся заметным, то продолжается фриттинг В-типа, приво­ дящий к дальнейшему увеличению поверхности метал­ лического контакта. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока контактное напряжение не станет ниже порога, необходимого для возникновения фриттинга на самых тонких участках пленки.

Контактная разность потенциалов. Контакт двух ме­ таллов может рассматриваться как продукт адиабати­ ческого сближения двух моделей типа металл — вакуум. Феноменологическая модель поверхности раздела меж­ ду металлом и вакуумом [22], исходящая из приближе­ ния свободного электрона, предполагает наличие у этой поверхности скачкообразного потенциального барьера, высота которого равна разности между энергиями элек­ трона, покоящегося в вакууме, и электрона, находяще­ гося в металле.

Высота этого барьера, отсчитанная от уровня Ферми Ер, численно равна термодинамической работе выхода Ф электрона из данного металла, т. е. той энергии, ко­ торую необходимо сообщить электрону, имеющему кине­ тическую энергию, равную энергии Ферми, для того что­ бы он мог покинуть поверхность металла. Это и есть та работа выхода, которую можно измерить при помощи термоэлектронной, фотоили полевой эмиссии и т. д.

Разумеется, скачкообразному потенциальному барь­ еру должны были бы соответствовать бесконечные дей­ ствующие силы, что лишено физического смысла. По-

этому Шотткм ввёл так называемый потенциал зеркаль­ ного изображения:

Однако при я'->-0 V, - » — 0 0 • Во избежание этого пара­ докса силы зеркального изображения предполагаются действующими лишь начиная с некоторого минимально­

В динамической модели 123] природа этих явлений на поверхности раздела между металлом и вакуумом пред­ полагается обусловленной в основном электрон-электрон­ ным взаимодействием вблизи поверхности металла. Ме­ талл рассматривается как поле равномерно распределен­ ного положительного заряда некоторой плотности пр и отрицательного заряда электронов проводимости, кон­ центрация которых равна пе:

Ир = пе = const при л<<0; nv = ne = 0 при л > 0 ,

где х=0 соответствует поверхности раздела металл — вакуум. Работа выхода электрона из металл в вакуум Ф определяется обменным и корреляционным потенциала­ ми системы многих частиц (электронного газа) У0 бм корр (рис. 1.16) и равна 5„, где последняя—энергия сцепле-

34

ния, освобождающаяся при удалении одного электрона" (вместе с соответствующим ему положительным заря­ дом) [24]. Однако электронные состояния на поверхно­

циалом Хартри Vc, который определяется из уравнения Пуассона;

Полный потенциал Vn у поверхности, определяющий ве­ личину работы выхода, представляет собой суперпози­ цию Уобм и Vc (рис. 1.17).

Как указывалось выше, биметаллический контакт удобно представить как результат адиабатического со­

выравнивания уровня Ферми (химического потенциала) системы в целом. Этот процесс заключается в инжекции электронов из того металла, в котором их концентрация выше, в другой металл, где они оказываются избыточ­ ными, неравновесными. Вместе с тем, в приповерхност­ ном слое первого металла остается эквивалентный поло­ жительный заряд.

При наличии сколько-нибудь тонкого изолирующего слоя между контактируемыми металлами (например,

окисной, газовой или органической пленки) к контактным элементам оказывается приложенной разность потенциа­ лов, равная разности между работами выхода электро­ нов из одного и другого металлов (рис. 1.18,6). Эта кон­ тактная разность потенциалов (К.РП) называется внеш­ ней, так как она предполагает отсутствие чисто металли­ ческого контакта между элементами. Следует заметить.

что величина внешней КРП не зависит от протяженно­ сти изолирующего слоя.

В большинстве случаев внешняя КРП может дости­ гать долей вольта и в цепях с малыми напряжениями, например в микроэлектронных устройствах, может су-

36

щественно влиять на работу схемы. Как было показано выше, основным механизмом квазиметаллической прово­ димости (через изолирующий зазор) является просачи­ вание электронов через потенциальный барьер за счет туннельного эффекта. Туннельная проводимость опреде­ ляется, как известно, не только высотой и шириной по­ тенциального барьера, но и его формой. Нетрудно заме­ тить, что наличие внешней КРП приводит к изменению формы потенциального барьера в зазоре в зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения, т. е. обусловливает неодинаковую электрическую проводи­ мость квазиметаллического контакта в противополож­ ных направлениях (выпрямление).

Далее, если контактные элементы приведены в непо­ средственное соприкосновение, т. е. между ними имеется металлический контакт, потенциальные барьеры на по­ верхности раздела в общем случае исчезают. Однако и здесь происходит инжекция электронов, необходимая для выравнивания химического потенциала системы. В би­ металлических контактах типа I характер распределения зарядов вблизи поверхности показан на рис. 1.18,8. Элек­ троны из металла с большей концентрацией туннелируют ниже дна зоны проводимости второго металла, создавая в последнем область неравновесного отрицательного заряда протяженностью порядка расстояния экраниро­ вания Ферми — Томаса %t:

где kFi= (3n2 fti)V3 ; rii — концентрация электронов прово­ димости; ав — боровский радиус. В первом металле об­ разуется область такой же протяженности с неравновес­

тенциал в области дипольного слоя является линейной интерполяцией минимумов зон проводимости обоих ме­ таллов. Образовавшаяся в данном случае КРП, равная H i — н а з ы в а е т с я внутренней. Она не оказывает влия­ ния на процесс переноса электрических зарядов через контакт, так как в этом процессе принимают участие лишь те электроны, энергия которых не отличается от энергии Ферми больше чем на kT, где k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура. При комнат-

37

пой температуре &Г=0,025 эВ. Для таких электронов энергетическая диаграмма является континуальной. Искривление дна зоны проводимости сказывается лишь на термоэлектронных явлениях.

В контактных парах типа I I затухающая плотность зарядов электрода с низкой концентрацией электронов оказывается неспособной создать дипольиый потенциал Хартри нужного знака, чтобы уравновесить химический потенциал системы. Согласно {23] простейшее распреде­ ление зарядов, способное обеспечить такой потенциал, показано на рис. 1.18,8—П. Соответствующая этому рас­ пределению потенциальная диаграмма изображена на рис. 1.18,г — I I .

Показанная здесь объединенная зона и соответст­ вующий ей потенциальный барьер высотой Vn харак­ терны для случаев, когда Ф\—Ф^Щ- Если же ц 2 > 3>Oj—<J>2, то потенциал перехода может быть также по­ лучен линейной интерполяцией минимумов зон проводи­ мости.

1.4. Тепловые эффекты в электрическом контакте

Перегрев контакта. Область стягивания линий тока занимает в каждом контактном элементе приповерхност­ ный слой толщиной порядка среднего диаметра микроне­ ровностей. Основная часть дополнительного напряжения, обусловленного стягиванием, падает иа этот слой. При

в непосредственной окрестности контакта. Таким обра­ зом, в стационарном состоянии температура области стягивания оказывается выше средней температуры кон­ тактных элементов. В симметричном монометаллическом контакте максимальная температура наблюдается на поверхности раздела, а в несимметричном (биметалличе­ ском) — внутри контактного элемента с большим отно­ шением р/k, где к — коэффициент теплопроводности [25]. Максимальная температура, наблюдаемая в контакте в процессе его работы, определяется исключительно при­ ложенным напряжением и температурой окружающей среды. Геометрия микронеровностей при этом не играет роли.

Рассмотрим для простоты симметричный (монометал­ лический) контакт. Пренебрегая радиационными поте-

38