МЭТ л3

Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ

(МТУСИ)

Факультет "Радио и телевидение"

Кафедра "Электроники"

ОТЧЕТ

по дисциплине "Материалы электронной техники"

на тему:

"Исследование металло-полупроводниковых переходов. Вариант 10"

Выполнили

Проверил

Кандидат технических наук, доцент ____________ В.Н. Каравашкина

Москва 2023

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является исследование металло-полупроводниковых переходов при использовании различных сочетаний металла и полупроводника. При этом определяются следующие характеристики и параметры:

• Тип контакта (омический или Шотки);

• Сопротивление омического контакта.

• Для контакта Шотки при U = 0 определяются:

• Контактная разность потенциалов;

• Толщина;

• Тепловой ток;

• Барьерная емкость.

Краткие теоретические сведения

Контакт металл-полупроводник, как и р-n переход, относится к наиболее распространенным в электронике типам контактов. Чаще всего это обычный, омический контакт, сопротивление которого невелико и не зависит от знака и величины приложенного напряжения. Однако некоторые металлы и полупроводники образуют так называемые контакты Шотки, обладающие, как и р-n переход, односторонней проводимостью. Такие контакты используются в диодах Шотки и некоторых типах транзисторов.

Характер контакта металл–полупроводник зависит от соотношения работ выхода контактирующего металла qϕ_м и полупроводника qϕ_п. Если, например, qϕ_мqϕ_п, будет преобладать диффузия электронов из металла в полупроводник. При этом в m-n переходе в приграничной области полупроводника образуется избыток свободных электронов, т.е. обогащенный слой, рис. 1. В таком виде в контакте подвижные носители имеются во всех его частях, и поэтому он обладает очень маленьким электрическим сопротивлением. При этом же соотношении qϕ_мqϕ_п в m-p переходе также преобладает диффузия электронов из металла в полупроводник. Однако из-за рекомбинации электронов с дырками в р-области образуется не обогащенный, а обедненный слой с очень низкой концентрацией подвижных носителей, т.е. с большим сопротивлением. Уменьшение концентрации основных носителей приводит к появлению нескомпенсированных отрицательных ионов акцепторной примеси. Их заряд, вместе с положительным зарядом ионов в приграничной части m-области, образует два слоя зарядов, создающих собственное поле m-p перехода. Как и в р-n переходе, собственное поле обуславливает равновесие диффузии и дрейфа и «перемешивания» носителей не происходит.

Рис. 1 Металло-полупроводниковые переходы при qϕ_м  qϕ_п

Аналогично, при qϕ_м   qϕ_п    в m-n переходе образуется обедненный слой, а в m-p – обогащенный. Поэтому в этом случае m-n переход – выпрямляющий (Шотки), а m-p – омический.

Рис.2. Металло-полупроводниковые переходы при qϕ_м  qϕ_п

В реальном металло-полупроводниковом переходе обычно существует еще один слой зарядов – на поверхности полупроводника (поверхностный заряд). Он возникает из-за дефектов кристаллической решетки полупроводника в его поверхностном слое и из-за захвата поверхностью посторонних акцепторных и донорных примесей. Поверхностный заряд может сильно влиять на электрические характеристики перехода, вплоть до изменения самого характера контакта (омический или Шотки). Поэтому диоды Шотки получили распространение намного позже р-n диодов, когда была создана технология, обеспечивающая высококачественный контакт металла с предельно чистой и бездефектной поверхностью полупроводника. Только у таких переходов контактная разность потенциалов ϕ_к0 близка к идеализированному значению

                                          ϕ_к0 = ϕ_m – ϕ_п                                                                            (1)

В настоящей работе металло-полупроводниковый переход полагается идеальным, описывающимся уравнением (1).

Если контакт омический, т.е. предназначен для подключения к полупроводниковой области, его наиболее важным параметром является сопротивление R. У такого контакта сопротивление практически не зависит от сопротивления m-области и обогащенного слоя. Поэтому R омического контакта определяется размерами и параметрами нейтральной части полупроводника: 

             L

R ≅ –––––––,                                                   (2)

         qSN

где L и S – толщина и площадь поперечного сечения нейтрального слоя,  и N – коэффициент подвижности и концентрация примеси в полупроводниковой области.

В случае контакта Шотки, когда используются его нелинейные свойства, важнейшими параметрами являются:

1. Контактная разность потенциалов в отсутствие внешнего напряжения ϕ_к0, (1). Её величина примерно соответствует значению прямого напряжения U_пр, при котором собственное поле перехода и обедненный слой практически исчезают и возникает большой прямой ток. U_пр определяет тепловые потери P_расс = U_пр ⋅ I_пр  и к.п.д. выпрямителей с диодами Шотки. По этим параметрам они значительно превосходят кремниевые р-n диоды.

2. Тепловой ток I₀, определяющий масштаб идеализированной ВАХ:

                                      I = I₀(e^U/ϕ_T – 1) ,                                         (3)

                                  I₀ = S⋅A⋅T²⋅e^-ϕk0^/ϕT ,                                                   (4)

где А – константа, зависящая от типа полупроводника, Т – абсолютная температура, ϕ_T = kT/q – термический потенциал.

3. Толщина перехода L, от которой зависит напряженность поля в переходе E ≅ U/L и поэтому – напряжение пробоя. Так как концентрация подвижных носителей в металле и полупроводнике высокая, толщина перехода определяется практически только толщиной обедненного слоя. В отсутствие внешнего напряжения толщина идеализированного контакта Шотки определяется аналогичным для р-n перехода выражением: 

                                                          (5)

4. Барьерная емкость C_б, определяющая частотные и импульсные свойства контакта Шотки. В отсутствие внешнего напряжения, как и для р-n перехода,

Процессы в контакте Шотки и в р-n переходе обнаруживают значительное сходство (наличие собственного электрического поля и обедненного слоя, вид идеализированной ВАХ и другое). Имеются, однако, существенные отличия, определяющие важные преимущества диодов Шотки:

– в открытом контакте Шотки не происходит образования диффузионного заряда неосновных носителей, как в р-n переходе. Поэтому у диодов Шотки нет диффузионной емкости, их частотные и импульсные свойства потенциально много лучше;

– в диодах Шотки можно получить значительно меньшие напряжения открытого состояния по сравнению с кремниевыми р-п диодами. Поэтому тепловые потери в диодах Шотки значительно меньше.

В первом задании требуется ввести в программу, представленную на рисунке 1, исходные значения для типа материала Pt и типа полупроводника Ge. После чего произвести расчёт при помощи данной программы и полученные данные ввести в таблицу 1.

Рисунок 1 – Пример расчётов программы

Рисунок 2- результаты исследования

ВЫВОД

В ходе работы были изучены металло-проводниковые переходы с использованием металла платина и полупроводника германия. По результатам расчётов были сделаны следующие выводы: при увеличении концентрации примеси сопротивление омической связи сопротивление уменьшается; при уменьшении концентрации примеси увеличивается толщина перехода; при уменьшении площади перехода уменьшается барьерная ёмкость перехода.

8