4.3. Контакты полупроводник – металл

Контакты между полупроводником и металлом широко используются для формирования внешних выводов от полупроводниковых приборов (невыпрямляющие контакты) и создание быстродействующих диодов и транзисторов (выпрямляющие контакты). Тип контакта полупроводник - металл (п/п - Ме) определяется работой выхода электронов из металла в полупроводник, типом проводимости полупроводника и концентрацией примесей в нем. Сопутствующими факторами являются знак и плотность поверхностного заряда на границе раздела.

Выпрямляющий контактхарактеризуется нелинейной ВАХ типа (4.12), следовательно прямое сопротивление контакта (при подаче прямого напряжения смещения) меньше обратного.

Для получения выпрямляющего контакта между металлом и полупроводником n–типа проводимости работа выхода электронов из металла, _м, должна быть больше, чем у полупроводника, _п, то есть разность работ выхода _мп=_м–_п должна быть больше нуля (_мп>0). Величину _мпназывают контактной разностью потенциалов. В этом случае при образовании контакта часть электронов переходит из полупроводника в металл; в полупроводнике появляется обедненный слой, содержащий положительный заряд ионов доноров. В обедненном слое возникает электрическое поле, препятствующее диффузии электронов к контакту (рис. 4.17, а).В контакте металла с полупроводником p-типа работа выхода электронов из металла должна быть меньше, чем из полупроводника, то есть контактная разность потенциалов_мп<0. При этом электроны из металла переходят в полупроводник, что приводит к уменьшению концентрации дырок в его приповерхностной области (рис. 4.17,б).

На зонных диаграммах рис. 4.17 изгиб зон вверх в полупроводнике n-типа (рис. 4.17,а) и вниз в полупроводникеp-типа (рис. 4.17,б) соответствует уменьшению концентрации основных носителей, образованию обедненных слоев и потенциальных барьеров_кnдля электронов и_кpдля дырок, переходящих из полупроводника в металл.

Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шоттки.Его высота_кnдля электронов и_кpдля дырок является аналогом величины_квp-nпереходе. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения высота этого барьера и, соответственно, сопротивление приконтактного слоя будут меняться.

Теоретическая оценка высоты барьера _мпсложна; на практике используются экспериментальные величины_мп. Например, при контактеAlcn-Siвысота барьера_мп=0,72 В, а при контактеAlcp-Siвысота барьера_мп=0,58 В. Для других металлических покрытий (Au,Ag,Pt,W,PtSi,WSi) при контакте сSiилиGaAsэта величина составляет 0,4…0,9 В.

Равновесная ширина lобедненного слоя контакта п/п – Ме, как и для резко несимметричногоp-nперехода может быть рассчитана по формуле (4.5). Чем выше высота барьера, тем больше ширина обедненного слоя.

В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения высота барьера _кnдля электронов и_кp для дырок со стороны полупроводника будут меняться. Соответственно, будет изменяться и сопротивление приконтактного слоя.

При этом подача отрицательного потенциала Uнаn-полупроводник или положительного – наp-полупроводник соответствует прямому напряжению на контакте п/п – Ме. Смена полярности приложенного напряжения соответствует включению обратного смещения.

Например, в контакте n-п/п – Ме при включении прямого напряжении U (плюсом к металлу, минусом к полупроводнику) уровень Ферми в металле, _Fм, понижается относительно уровня Ферми в полупроводнике, _Fn, на величину U, следовательно высота потенциального барьера, препятствующего переходу электронов из полупроводника в металл, уменьшается и становится равной _к – U. При включении обратного напряжения (минусом к металлу) уровень Ферми _Fм повышается относительно _Fn на величину U, поэтому высота потенциального барьера со стороны n-полупроводника увеличивается и становится равной _к +U. Величина контактной разности потенциалов _мп при этом остается неизменной.

Таким образом, контакты, показанные на рис. 4.17, обладают выпрямляющими свойствами и могут быть основой диодов. Диоды, использующие барьеры Шоттки, называют диодами Шоттки. ВАХ выпрямляющего контакта аппроксимируется уравнением, аналогичным (4.13):

,

где 10^-15А/м²– плотность тока насыщения (уравнение Ричардсона),B≈1,1∙10⁶A/(м∙K)²- коэффициент, φ_мп–высота барьера металл-полупроводник.

Невыпрямляющий (омический) контактиспользуется практически во всех полупроводниковых приборах для формирования внешних выводов от полупроводниковых областей; для него характерны близкая к линейной ВАХ и малое сопротивление.

Для получения омического контакта межу металлом и полупроводником n- типа проводимости разность работ выхода _мп<0 (т. е. работа выхода электронов из металла, _м, должна быть меньше работы выхода из полупроводника, _п), а между металлом и полупроводником p-типа проводимости разность работ выхода _мп>0 (т. е. _м>_п).В первом случае электроны будут переходить из металла в полупроводник и зоны искривятся "вниз" (рис. 4.18,а), а во втором случае электроны будут переходить из полупроводника в металл и зоны искривятся "вверх" (рис. 4.18,б). В таких контактах вблизи границы в полупроводнике накапливаются основные носители, то есть получаются обогащенные зоны.

Наличие обогащенного слоя означает, что сопротивление контакта определяется нейтральным слоем полупроводника и, следовательно, не зависит ни от величины, ни от полярности приложенного напряжения. Иными словами, в этом случае потенциальные барьеры для движения носителей тока со стороны полупроводника и металла практически отсутствуют.

Следует еще раз подчеркнуть, что реально в полупроводниках электронного типа проводимости существует отрицательный поверхностный заряд (см. п. 2.4.3), плотность которого, отнесенная к заряду электрона, составляет от 10¹²…10¹⁶м^-2 (для кремния) до 10¹⁵м^-2(для арсенида галлия). Под действием этого заряда электроны выталкиваются из приповерхностного слоя полупроводника, что так же способствует образованию обеденного слоя. Поэтому высота барьера_мпопределяется не только разностью работ выхода, но и плотностью поверхностного заряда, а при очень высокой плотности поверхностного заряда (например, в арсениде галлия) практически не зависит от вида металла.