Физические основы электроники. Контакты металл–полупроводник. Учебно-методическое пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
С.В. ДОРОГОЙ
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
КОНТАКТЫ МЕТАЛЛ–ПОЛУПРОВОДНИК
Учебно-методическое пособие
НОВОСИБИРСК
2019
1
УДК 621.382:53(075.8) Д 691
Рецензенты:
канд. техн. наук, доц. Н.И. Филимонова канд. техн. наук, доц. В.М. Меренков
Дорогой С.В.
Д 691 Физические основы электроники. Контакты металл–полу- проводник: учебно-методическое пособие / С.В. Дорогой. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 50 с.
ISBN 978-5-7782-3994-4
Учебно-методическое пособие предназначено для проведения аудиторных практических занятий и самостоятельной работы по дисциплине «Физические основы электроники» для студентов II курса по направлениям 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств» и 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».
Работа подготовлена на кафедре конструирования и технологии радиоэлектронных средств и утверждена Редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия
|
УДК 621.382:53(075.8) |
ISBN 978-5-7782-3994-4 |
© Дорогой С.В., 2019 |
|
© Hовосибиpский госудаpственный |
|
технический унивеpситет, 2019 |
2
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение................................................................................................................... |
4 |
|
1. |
Контакты (барьеры, переходы) металл–полупроводник.................................. |
5 |
2. |
Свойства, структура и зонные энергетические диаграммы контактов |
|
|
металл–полупроводник....................................................................................... |
7 |
3. |
Выпрямляющий контакт металл–полупроводник n-типа.............................. |
10 |
4. |
Выпрямляющий контакт металл–полупроводник p-типа.............................. |
14 |
5. |
Омический контакт металл–полупроводник n-типа....................................... |
16 |
6. |
Омический контакт металл–полупроводник p-типа....................................... |
18 |
7. |
Напряженность электрического поля, потенциал на контакте |
|
|
металл–полупроводник, ширина ОПЗ ............................................................. |
21 |
8. |
Вольт-амперная характеристика контакта Шоттки........................................ |
29 |
9. |
Эффект Шоттки (уменьшение барьера)........................................................... |
36 |
10. Механизмы переноса заряда через контакт металл–полупроводник.......... |
39 |
|
11. Сравнение барьеров Шоттки и p–n-переходов.............................................. |
41 |
|
12. Задачи и решения............................................................................................. |
43 |
|
Библиографический список.................................................................................. |
49 |
|
3
ВВЕДЕНИЕ
Во всех полупроводниковых приборах используются контакты металлаиполупроводника.Впособиирассмотренаоднаизтемкурса «Физические основы электроники» – классическая теория образования и работы идеальных контактов металл–полупроводник, основанная на явлении термоэлектронной эмиссии. Показано, как образуются выпрямляющие и невыпрямляющие контакты с полупроводниками n- и p-типов. Для понимания физических процессов в контактах использованы элементызоннойтеориииупрощенныезонныеэнергетическиедиаграммы. Дан подробный вывод уравнений для расчета физических параметров контактов, таких как напряженность электрического поля, потенциал, толщина области пространственного заряда, удельная емкость обедненной области, вольт-амперной характеристики. Проведено сравнение вольт-амперных характеристик диода на основе барьера Шоттки и полупроводникового диода. Представлены примеры решения задач.
4
1. КОНТАКТЫ (БАРЬЕРЫ, ПЕРЕХОДЫ) МЕТАЛЛ–ПОЛУПРОВОДНИК
Одними из первых полупроводниковых приборов, реально используемых в радиотехнике, были разработанные в начале ХХ в. кристаллические детекторы, в которых использовался контакт металлической проволочной пружины с естественными полупроводниками, такими как сульфид свинца (PbS), закись меди (Cu2O ), селен (Se), позднее их сме-
нил кремний. Работа таких детекторов основана на зависимости электрического сопротивления контакта от полярности прикладываемого напряжения.
В1938 г. немецкий физик Вальтер Шоттки предположил, что потенциальный барьер между металлом и полупроводником создается неподвижным пространственным зарядом, а не за счет возникновения промежуточного химического соединения. В дальнейшем выпрямляющие контакты такого типа стали называться контактами с барьером Шоттки (БШ) или диодами Шоттки (ДШ).
В1938 г. английский физик Невилл Мотт предложил теоретическую модель для контактов металла к тонким слоям полупроводника. Образующийся при этом барьер получил название барьера Мотта.
ДиодыШотткинаосновеполупроводников(Si,GaAs)используются
висточниках питания для выпрямления переменного тока, в качестве затвора полевого транзистора вместо управляющего p–n-перехода, в цифровой электронике для повышения скорости переключения биполярного транзистора, в фотодетекторах и солнечных элементах.
Также широкое применение нашли невыпрямляющие или омические контакты металл-полупроводник, используемые для подключения внутренних областей полупроводниковых приборов к внешним выводам.
5
В связи с тем, что электрофизические свойства металла и полупроводника существенно различаются, контакт между ними (в отличие от p–n-перехода) может быть выпрямляющим либо невыпрямляющим. Можно выделить следующие возможные варианты таких контактов:
выпрямляющий контакт или контакт Шоттки (КШ) с полупроводниками n- и p-типа;
невыпрямляющий или омический контакт с полупроводниками n- и p-типа.
Тип контакта зависит, прежде всего, от соотношения работ выхода электронов из металла Pm иполупроводника PS . За начало отсчета при-
нимается энергия электрона в вакууме E0 , равная нулю. В вакууме от-
сутствует влияние других атомов или молекул на электрон. Энергетический уровень E0 считают расположенным вблизи поверхности твер-
дого тела на удалении порядка 1000 межатомных расстояний (а не на Луне), когда влияние заряда зеркального отображения становится пренебрежимо малым и электрон можно считать свободным.
Структура диода Шоттки и схема включения показана на рис. 1.
неомический |
полупроводник |
омический |
||||||||||||||
контакт |
|
n-тип |
|
|
|
n+ тип |
|
контакт |
||||||||
металл 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
металл 2 |
||
|
|
ОПЗ |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
xn + |
|
U |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
Анод (+) |
Катод (-) |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+U
Рис. 1. Диод Шоттки, схема прямого включения и условное обозначение
6
2. СВОЙСТВА, СТРУКТУРА И ЗОННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ КОНТАКТОВ МЕТАЛЛ–ПОЛУПРОВОДНИК
Классическиепредставленияо свойствахконтактирующихструктур опираются на зонную теорию энергетического спектра твердых тел, их физические и термодинамические характеристики. Наглядную информацию о свойствах контактирующих материалов можно получить из энергетической зонной диаграммы E(x). В качестве примера на рис. 2 показаны зонные диаграммы примесных полупроводников n- и p-типов. Основным правилом при построении диаграмм в состоянии термодинамического равновесия является постоянство энергетических уровней, отображаемых на диаграммах в виде горизонтальных линий.
В дальнейшем оси координат, энергетические уровни Ea, Ed и Ei
отображать не будем, чтобы не усложнять рисунки.
Обращаем внимание на то, что энергия электронов в разрешенных зонах увеличивается вверх, а энергия дырок – вниз.
Под работой выхода понимается разность энергий между уровнем в вакууме E0 и уровнем Ферми, по смыслу – это энергия, которую дол-
жен иметь электрон, чтобы покинуть твердое тело. В свою очередь, уровень Ферми представляет собой электрохимический потенциал, отнесенный к одной частице, или химический потенциал в присутствии электрического поля. По определению, химический потенциал есть работа по увеличению числа частиц в системе на единицу.
Термин работа выхода применим только для электронов. Для дырок,являющихсянематериальнымичастицами,он неиспользуется.При описании контакта металл–полупроводник p-типа удобно рассматривать перемещение электронов через межфазную границу, следствием
7
которого будет изменение концентрации дырок в полупроводнике или концентрации свободных состояний в валентной зоне. Работа выхода электронов в полупроводнике p-типа, также как и в полупроводнике n- типа, определяется как разность энергий между уровнем вакуума и уровнем Ферми.
E 
Энергия электронов Энергия дырок
|
|
|
|
|
|
|
|
E0=0 |
(в вакууме) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
PSn |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
np |
|
|
|
|
|
|
|
nn |
|
|
|||||
Ec |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ec |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ed |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
PSp |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
EFn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Eg |
|
Eg |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Ei |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ei |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
EFp |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Ea |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ev |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Ev |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
pp |
|
|
|
|
|
|
|
pn |
|
||||||
|
|
|
|
|
p-тип |
|
|
|
|
n-тип |
|
|
|
||||||||
Координата в кристалле |
x |
|
Рис. 2. Зонные энергетические диаграммы полупроводников n- и p-типов:
χ – сродство к электрону, энергия, эВ; Eg – ширина запрещенной зоны, эВ; EC – дно зоны проводимости; EV – потолок валентной
зоны; Ei – энергия середины запрещенной зоны |
E |
Ec EV |
; |
|
|||
|
i |
2 |
|
|
|
|
Ed – энергия ионизации доноров; Ea – энергия ионизации акцепто-
ров; 
– неподвижный ион акцепторной примеси; 
– неподвижный ион донорной примеси; 
– электрон, подвижный носитель заряда, на зонной диаграмме располагается в зоне прово-
димости; 
– дырка, подвижный носитель заряда, на зонной диаграмме располагается в валентной зоне; np, nn – концентрации электронов в полупроводнике p- и n-типа; pn, pp – концентрации дырок в полупроводнике n- и p-типа; PSp, PSn – работа выхода из полупроводников p- и n-типа, эВ
Концентрацияносителейзаряда(электронов)вметаллевсегдананесколько порядков выше концентрации основных носителей заряда (ОНЗ) в примесном полупроводнике n-типа. С точки зрения процесса
8
диффузии поток электронов при физическом соприкосновении двух тел должен быть направлен из области с большей концентрации в область с меньшей концентрацией. Однако при определенных условиях, когда
термодинамическая работа выхода из металла Pm больше, чем работа выхода из полупроводника PS , электроны могут переходить из полу-
проводника n-типа на свободные уровни в металле, находящиеся ниже, чем в полупроводнике.
Аналогичный процесс происходит и в случае полупроводника p-типа.
Классическиепредставленияо свойствахконтактирующихструктур опираются на зонную теорию энергетического спектра твердых тел, их физические итермодинамическиехарактеристики.Основным правилом при построении диаграмм в состоянии термодинамического равновесия является общий уровень Ферми, отображаемый на диаграммах E(x) в виде горизонтальной линии.
При контактировании металла с полупроводником объемные свойства материалов не изменяются. Изменения происходят только в приконтактной области полупроводника, где происходит обеднение или обогащение основными носителями заряда. Значение термодинамической работы выхода в нейтральной области полупроводника остается неизменным.
9
3. ВЫПРЯМЛЯЮЩИЙ КОНТАКТ МЕТАЛЛ–ПОЛУПРОВОДНИК n-ТИПА
Рассмотрим подробно, как образуется такой контакт. Этот тип контактаможетбытьреализован,еслиуровеньФермивметалле EFm лежит
ниже уровня Ферми полупроводника (EFm EFn ) или работа выхода из металла больше работы выхода полупроводника n-типа (Pm PSn ).
В этом случае электроны, зоны проводимости полупроводника, находятся на более высоких энергетических уровнях, чем электроны в металле. Поэтому электроны стремятся перейти из полупроводника на
свободныеуровнивметалле,находящиесяниже EFn ,новыше EFm .Та-
ким образом, выполняется один из критериев протекания самопроизвольных процессов – стремление системы уменьшить свою внутреннюю энергию.
На рис. 3 показано образование выпрямляющего контакта металл– полупроводник n-типа.
На рис. 3 не отображен уровень донорной примеси, расположенный между уровнем Ферми и дном зоны проводимости, и используется гипотеза обеднения – практическое отсутствие носителей заряда в ОПЗ (n Nd при 0 x xn ). В металле энергетические уровни ниже EFm
полностью заняты, а выше EFm – свободны. Работа выхода электронов изметалла Pm ,полупроводника n-типа PSn ,полупроводника p-типа PSp
отсчитывается от соответствующего уровня Ферми до нулевого уровня в вакууме, эВ:
Pm E0 EFm , |
(1) |
10