Лекция 17 микроэлектроника

4.2. Барьер на границе металла с полупроводником (барьер Шоттки)

Рассмотрим контакт металл-полупроводник. Допустим, что имеется контакт между металлом и невырожденным электронным полупроводником. Если уровень Ферми изолированного металла F_м лежит ниже уровня Ферми полупроводника F_п, т.е. Φ_м>Φ_п (рис. 4.14), то в момент соприкосновения поток электронов из полупроводника превышает поток электронов из металла. В результате металл в области контакта приобретает отрицательный заряд, а полупроводник – положительный и возникшее между контактирующими образцами электрическое поле будет препятствовать переходу электронов из полупроводника в металл. Направленный поток электронов будет происходить, пока уровни Ферми в системе не выравнятся (рис. 4.11, а) и установится равновесие, характеризующееся равенством токов J_п.п.0=J_м.

Рис. 4.14
Рис. 4.11 Контакт металл-электронный полупроводник в случае Φм>Φп (а) и Φм<Φп (б)
Рис. 4.12 Контакт металл-дырочный полупроводник в случае Φм>Φп (а) и Φм<Φп (б)

При этом между металлом и полупроводником возникнет контактная разность потенциалов и соответствующее ей электрическое поле, препятствующее переходу электронов из полупроводника. Величина контактной разности потенциалов φ_к. равна:

.

(4.30)

Толщина слоя объемного заряда в случае термодинамического равновесия определяется соотношением

.

(4.32)

Толщина объемного заряда в металле не превышает 10^-8-10^-7 см, а в полупроводнике может составлять 10^-4 см. Контактная разность потенциалов практически полностью приходится на приконтактную область полупроводника, благодаря этому полю происходит искривление зон в приконтактной области. Таким образом, когда Φ_м>Φ_п в электронном полупроводнике возникает слой с пониженной удельной проводимостью (обогащенный неосновными носителями заряда). Такой слой называют запорным. У дырочного полупроводника в этом же случае (Φ_м>Φ_п) возникает слой с повышенной удельной электропроводностью. Такой слой называют антизапорным.

Если работа выхода из полупроводника больше работы выхода из металла, т.е. Φ_м<Φ_п, электронный полупроводник заряжается отрицательно, возникает антизапорный слой, в дырочном полупроводнике - запорный слой.

При сильном обогащении приконтактной области неосновными носителями заряда происходит инверия типа проводимости, возникает физический p-n-переход.

У собственного полупроводника как при Φ_м>Φ_п, так и при и Φ_м<Φ_п искривление зон сопровождается повышением удельной проводимости в приконтактной области (рис. 4.13).

Рис. 4.13 Контакт металл-дырочный полупроводник в случае Φм>Φп (а) и Φм<Φп (б)

4.2.1 Выпрямление тока на контакте металла с полупроводником

Если подключить внешнюю батарею, то, создаваемое ею электрическое поле, в зависимости от полярности подключения батареи, будет либо усиливать электрическое поле в контактной области, либо ослаблять его (рис. 4.15).

Рис. 4.15. Прямое (а) и обратное (б) смещение на контакте металл-электронный полупроводник

При этом высота барьера между металлом и полупроводником будет увеличиваться или уменьшаться в зависимости от подаваемого смещения . Поскольку удельное сопротивление полупроводника много больше, чем удельное сопротивление металла, можно считать, что падение напряжения, возникающее в рассматриваемой структуре полностью приложено к области потенциального барьера полупроводника. Важно подчеркнуть, что внешнее напряжение может только выпрямить границы разрешенных зон (при )! Другими словами, при приложении больших прямых смещений электроны начнут «убегать» от батареи смещения и все зоны станут наклоняться аналогично рис. 3.2.

Рис. 3.2

Толщина слоя объемного заряда в случае, когда приложено внешнее смещение, будет определяться соотношением

.

(4.32)

В случае приложения к контакту металл-полупроводник внешнего напряжения состояние полупроводника становится неравновесным и концентрация электронов будет определяться квазиуровнем Ферми F_n(x). В глубине полупроводника положение уровня Ферми остается постоянным. Если положения квазиуровня Ферми отсчитывать от дна зоны проводимости, для концентрации электронов можно записать следующие выражения:

.

(4.33)

Определим теперь плотность тока, текущего через контакт металлом-полупроводник, при различной полярности внешнего напряжения.

При подключении прямого смещения к полупроводнику n-типа (минус батареи) контактная разность потенциалов между металлом и полупроводником уменьшится. В результате снижения потенциального барьера со стороны полупроводника увеличится поток электронов, появится ток термоэлектронной эмиссии:

.

(4.34)

где J_s – плотность тока насыщения, равная:

.

(4.35)

где - постоянная Ричардсона, .-. высота барьера для электронов со стороны металла.

Формула (4.34) хорошо описывает вид ВАХ барьера Шоттки (рис. 4.17).

Рис. 4.17. ВАХ контакта металл- полупроводник (диод Шоттки)

При подключении обратного смещения (минус батареи) контактное поле возрастает, и электроны из полупроводника не в состоянии преодолеть его, поэтому соответствующий ток_. уменьшается до нуля. В то же время контактное поле не препятствует потоку электронов из металла (ток J_s.), и именно он и определяет обратный ток. Этот ток практически остается постоянным, поскольку высота барьера со стороны металла очень слабо зависит от внешнего смещения.

Нами рассмотрен случай контакта электронного полупроводника с металлом, однако диодными характеристиками будет обладать и контакт дырочного полупроводника с металлом. Однако для возникновения барьера необходимо, чтобы работа выхода металла был малой.