Физические основы электроники. Контакты металл–полупроводник. Учебно-методическое пособие

Рис. 3. Зонные энергетические диаграммы образования выпрямляющего контакта металл–полупроводник n-типа:

а – до физического соприкосновения; б – после физического соприкосновения и установления термодинамического равновесия: Pm, PSn – работа выхода из металла и полупроводника n-типа; χ – сродство к электрону; EFm, EFn – уровень Ферми в металле и полупроводнике n-типа; EC – дно зоны проводимости; EV – потолок валентной зоны; Eg – ширина запрещенной зоны; qΦbn, qU0 – потенциальные барьеры для электронов (все величины имеют размерность энергии, выраженной в электрон-вольтах); xn – ширина обедненной области, φвнутр – напряженность внутреннего электрического поля; – ионизированный донор,

– электрон (основной носитель заряда (ОНС))

Вотличие от металлов работа выхода из полупроводника зависит от концентрации, типа примеси, температуры, и поэтому не является константой.

Врезультате перехода электронов из полупроводника n-типа в металл тонкий поверхностный слой металла заряжается отрицательно,

аобедненная область пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника

(0 x xn ), приобретает положительный заряд за счет нескомпенсиро-

ванных ионизированных доноров. Так как в ОПЗ практически нет носителей заряда, то ее электрическое сопротивление становится большим

по сравнению с остальной частью полупроводника ( x xn ). Процесс перехода электронов сопровождается формированием внутреннего

11

электрическогополянапряженностью внутр .Направлениеполятаково,

чтооноявляетсятормозящимдляэлектронов,переходящихиз полупроводника n-типа в металл. Поэтому движение электронов из полупроводникавметаллбудетпродолжатьсядотехпор,поканапряженностьвнутреннего поля не достигнет величины, при которой поток прекратится. Инымисловами,наступиттермодинамическоеравновесиевсистемеме- талл–полупроводник, которое характеризуется единым уровнем Ферми

EFm EFn EF (горизонтальная линия на зонной диаграмме рис. 3, б).

Встречные потоки электронов через металлургическую границу становятся равными, при этом барьеры, возникающие на контакте, различаются по величине. Для электронов в металле барьер Шоттки равен

а для электронов в полупроводнике барьер, называемый внутренней контактной разностью потенциалов, определяется как разность термодинамических работ выхода

qU0 Pm PSn Pm (EC EFn )

Величину (EC EFn )можно найти из температурной зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике n-типа, м 3:

Если принять условие полной ионизации донорной примеси, то левая часть уравнения (6) будет равна концентрации доноров Nd , а энер-

гетический зазор (EC EFn ) можно будет найти из уравнения

где NC – эффективная плотность состояний в зоне проводимости; k – постоянная Больцмана; T – температура.

12

Значения сродства к электрону и ширина запрещенной зоны для некоторых полупроводников приведены в табл. 1, а работа выхода электронов из металлов – в табл. 2.

Численные значения работы выхода у разных металлов составляют от 4 до 6 эВ, т. е. в том же интервале, что и внешняя работа выхода для полупроводников – сродство к электрону χ.

Таблица 1

Базовые физические параметры полупроводников (Т = 300 К)

Контактная разность потенциалов определяет необходимую величину энергии электронов для перехода из полупроводника в ме-

талл qU0 .

13

а–дофизическогосоприкосновенияметаллаиполупроводника;б–после физического соприкосновения и установления термодинамического равновесия: Pm, PSp – работа выхода из металла и полупроводника p-типа; χ – сродство к электрону; EFm, EFp –уровень Ферми в металле и полупроводнике p-типа; EC – дно зоны проводимости, EV – потолок валентной зоны; Eg –шириназапрещеннойзоны;qΦbp,qU0 – потенциальныеэнергетические барьеры для дырок; qΦbn – потенциальный энергетический барьер для электронов (все величины имеют размерность энергии, выраженной в электрон-вольтах);xp –ширинаобедненнойобласти,φвнутр –напряженность

трон, занявший место дырки (рекомбинация электрон–дырочной пары)

А для обратного потока дырок из металла в полупроводник барьер равен

Электронамметалладляпереходавзону проводимостиполупроводника необходимо преодолеть барьер высотой q bn , равный

15

Электронывметаллеимеютболеевысокуюэнергию,чемэлектроны в полупроводнике, поэтому переходят из металла в полупроводник и накапливаются вблизи металлургической границы, создавая обогащенную основными носителями заряда область. В ней также находятся неподвижные положительно заряженные ионы донорной примеси, но их концентрация меньше, чем концентрация электронов, следовательно, в целом всяобластьимеет отрицательныйобъемныйзаряд. Уходэлектронов из металла приводит к формированию положительного заряда, связанного с дырками. В контакте формируется электрическое поле внутр

, направленное от металла к полупроводнику, которое выравнивает встречные потоки электронов, приводя систему к термодинамическому равновесию.

Большая концентрация электронов в области контакта обеспечивает его высокую электропроводность при любой полярности внешнего напряжения U. Такой контакт имеет практически линейную вольт-ам- перную характеристику.

17

Рис. 7. Распределение объемной плотности заряда ρ(x) в ОПЗ контактов:

xm – граница ОПЗ в металле, xn – граница ОПЗ в полупроводнике n-типа; xp – граница ОПЗ в полупроводнике p-типа, QS – заряд ионизированных примесей на еди-

ницу площади полупроводника, Кл/см2

19

вблизи металлургической границы, а справа от металлургической границы в полупроводнике создается обогащенная основными носителями заряда (дырками) область. В ней также находятся неподвижные отрицательно заряженные ионы акцепторной примеси, но их концентра-

ция Na меньше, чем концентрация дырок, следовательно, в целом вся

область имеет положительный объемный заряд. В контакте формируется электрическое поле, направленное от полупроводника к металлу, которое выравнивает встречные потоки электронов, приводя систему к термодинамическому равновесию.

Благодаря высокой концентрации дырок контакт имеет малое электрическое сопротивление и практически линейную вольт-амперную характеристику.

Структура области пространственного заряда в четырех типах контактов показана на рис. 7. В выпрямляющих контактах (рис. 7, а и в) пространственный заряд полупроводниковых областей сформирован за счет неподвижных нескомпенсированных ионов примесей, полный заряд которых равен заряду подвижных носителей заряда со стороны металла.

В омических контактах (рис. 7, б и г) область пространственного заряда формируется за счет носителей заряда – электронов и дырок, пространственно разделенных металлургической границей (x = 0).

При этом, размеры xn и xp значительно более чем в 104 раз превосхо-

дят xm , так как концентрация электронов в металле порядка 1023 см 3 , а концентрация носителей заряда в примесных полупроводниках обычно не превышает 1018 1019 см 3 . Концентрация носителей заряда максимальна у металлургической границы.

20