Контрольные вопросы

1. В чем заключается эффект Пельтье?

2. Почему в полупроводниках термоэлектрические эффекты проявляются сильнее, чем в металлах?

3. Какова связь между коэффициентами Пельтье и Зеебека?

4. Что такое оптимальный ток термобатареи?

5. Что является мерой добротности материала для термобатареи?

6. Начертить схематический разрез полупроводникового термостата для охлаждения радиоаппаратуры.

Литература: [5] 9.80; [6] 9.2.

2.6. Контакт металл – полупроводник

Цель работы:исследование распределения потенциала вдоль полупроводника и определение температурной зависимости контактной разности потенциалов между полупроводником и металлом.

Основные сведения из теории

Явления, возникающие в контактах, представляются важными для изучения в силу распространенности контактов при производстве РЭС и ЭВС. Особенно важными являются контактные явления в микроэлектронике, т.к. контактные разности потенциалов становятся сравнимыми с рабочими напряжениями» В зависимости от материалов контакты могут быть различными: контакт металл-металл, металл-полупроводник, металл-диэлектрик, полупроводник-полупроводник и т.д.

Все эти контакты делятся на 3 группы:

1. Омические контакты.Вольт-амперная характеристика (ВАХ) линейна, т.к. выполняется закон Ома. Эти контакты должны иметь малое сопротивление, не искажать форму передаваемого сигнала не создавать в цепи электрических шумов.

2. Нелинейные контакты,осуществляющие нелинейное преобразование сигнала (выпрямление, детектирование, модуляцию, генерирование и т.д.), наоборот должны иметь резко нелинейную характеристику.

3. Инжектирующие контактыдолжны обладать способностью инжектировать неосновные носители только в одном направлении. Для этого инжектирующий контакт должен быть резко асимметричным. Кроме того, ширина базовой области должна быть мала, а диффузионная длина достаточно велика, чтобы неосновные носители проходили через базовую область, не успев рекомбинировать.

Контакт металл-полупроводник может быть как омическим, так и выпрямляющим. Омические контакты металла с полупроводником широко применяются в диодах, транзисторах и пассивных элементах интегральных схем. Выпрямляющие контакты типа металл-полупроводник используются в тонкопленочных структурах для построения диодов и транзисторов с металлической базой на основе барьеров Шоттки.

Рассмотрим явления в контакте металл-полупроводник при отсутствии поверхностных состояний. Возьмем контакт электронного полупроводника и металла и предположим, что работа выхода электрона из полупроводника А_Пменьше работы выхода электрона из металлаА_М(рис. 2,30, а).

а) б)

Рис. 2.30. Схема энергетических уровней в области контакта металл – полупроводник п – типа (А_М>А_n): а – до соприкосновения; б – после соприкосновения и установления термодинамического равновесия

Если металл и полупроводник привести в непосредственный контакт, то электроны будут переходить преимущественно из полупроводника в металл, так как уровень Ферми в полупроводнике перед соединением с металлом лежал выше, чем в металле. При этом металл заряжается отрицательно, а полупроводник – положительно. Направленный поток электронов будет иметь место до тех пор, пока уровни Ферми не выравняются, после чего установится динамическое равновесие (рис. 2.30, б), а между металлом и полупроводником возникнет контактная разность потенциалов

, (2.73)

где А_МиА_П– соответственно работа выхода электрона из металла и полупроводника;

е– заряд электрона.

Величина φ_Квыражается черезА_МиА_П, потому что обмен электронами возможен не только при непосредственном контакте металла и полупроводника, но и благодаря термоэлектронной эмиссии, обуславливающей разность потенциалов φ_К. Контактная разность потенциалов между металлом и полупроводником имеет значение порядка нескольких десятых долей или единиц вольта. Для получения такой величины необходимо, чтобы из полупроводника в металл перешло примерно 10 электронов. Если параметр решетки полупроводникаa₀=5·10¹⁰м (германий), а концентрация электроновn = 10²¹м^-3, то на 1 м его поверхности находится приблизительно 2·10¹³электронов. Поэтому протекание примерно 10¹⁷электронов связано с "оголением" примерно 5·10³атомных слоев полупроводника.

В металле, где поверхностная плотность электронов составляет 10¹⁸м^-2, лишь часть электронов поверхностного слоя обеспечит требуемую плотность заряда для возникновения контактной разности потенциалов. Из-за большой концентрации электронов область объемного заряда в металле очень тонка, а падение напряжения на ней невелико.

Можно сказать, что практически вся контактная разность потенциалов падает на области объемного заряда в полупроводнике (см, рис. 2.30, б). Распределение потенциала в приповерхностном слое полупроводника аналогично распределению при наличии поверхностных состояний, только вместо поверхностного потенциала следует брать разность потенциалов.

Контактная разность потенциалов практически полностью падает в приконтактном слое полупроводника и искривляет в нем зоны энергии. Если А_П<А_Мдля полупроводникаn-типа, то зоны энергии будут искривлены в приконтактной области кверху.

Если работа выхода электрона из полупроводника n-типа больше работы выхода из металла, то электроны в большей мере переходят из металла в полупроводник и образуют в его контактном слое отрицательный объемный заряд (рис. 2.31,a), а на поверхности металла возникает положительный заряд. Между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциаловU_Ки потенциальный барьереU_КВозникающее контактное поле проникает вглубь полупроводника и уменьшает энергию электронов, вследствие чего происходит искривление энергетических уровней электронов полупроводника книзу. При этом область объемного заряда в полупроводнике толщинойd_n оказывается обогащенной свободными носителями. При контакте металла с полупроводником р-типа обедненный слой в полупроводнике образуется в том случае, когда работа выхода электронов из металлаА_Мменьше работы выхода из полупроводникаА_p(рис. 2.31, б), в обогащенный слой – когда работа выходаАбольше работы выхода из полупроводникаА_p(рис. 2.31, в).

eU_K

eU_K

eU_K

а) б) в)

Рис. 2.31. Схема энергетических уровней в области контакта металл – полупроводник: а – n-тип (А_М< А_n); б –p-тип (А_М< А_p); в –p-тип (А_М> А_p)

При сильном искривлении зон в результате большого контактного поля в приповерхностном слое полупроводника может возникнуть инверсный слой, как и в случае поверхностных состояний. Концентрация электронов у границы полупроводника при контакте металл-полупроводник определяется из уравнения. Слой, обогащенный основными носителями заряда, называется антизапирающим(повышенная проводимость). Слой, обогащенный неосновными носителями, называетсязапирающим(пониженная проводимость). Слой у поверхности полупроводника, в котором в результате сильного искривления зон меняется тип проводимости по сравнению с объемом полупроводника, называетсяинверсным.Однако полученные соотношения между разностью работ выхода металла и полупроводника и свойствами контакта металл-полупроводник в ряде случаев не выполняются, т.е. выбор материала металла не влияет на свойства контактов. Это явление объясняетсяповерхностными состояниями.Как уже говорилось, наличие поверхностных состояний приводит к образованию слоя пространственного заряда (поверхностного потенциального барьера) и искривлению зон энергии в приповерхностном слое полупроводника.

Запирающие слои, которые образуются на границе однородного полупроводника контактным полем металла или поверхностным зарядом, называются физическимизапирающими слоями.

Запирающие слои, полученные нанесением на полупроводник тонкого слоя другого вещества с большим удельным сопротивлением, называются химическимизапирающими слоями. В этом случае в области контакта металл-полупроводник возникает потенциальный барьер или вследствие несоответствия между величинами работ выхода у металла и пленки, или вследствие наличия поверхностных состояний пленки.

При исследовании полупроводников применяются прижимные, припаянные, сплавные, электролитические, напыленные, пастовые, сварные контакты полупроводника с внешней цепью. Обычно контакты металл-полупроводник получают путем электрохимического осаждения, напыления в вакууме или механическим способом (прижатием). В любом из перечисленных случаев получения контакта металл-полупроводник имеет место зазор из-за загрязнения или поверхностных дефектов. При этом образуется потенциальный барьер между поверхностными состояниями и объемом полупроводника. Истинный контакт металл-полупроводник получается вплавлением металла в полупроводник. В этом случае высота потенциального барьера должна определяться разностью работ выхода металла А_ми полупроводникаA_n(А_р).

Механизм прохождения тока через контакт металл-полупроводник

Приложим внешнее напряжение к цепи, состоящей из металла и полупроводника. В ней возникает направленное движение носителей зарядов (электронов и дырок), создающих ток плотностью

(2.74)

В связи с тем, что концентрация электронов и дырок различна в разных точках полупроводника (из-за поверхностных и контактных явлений), состав тока меняется, а величина его остается неизменной.

Введение носителей заряда через контакт металл-полупроводник или электронно-дырочный переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители заряда являются неосновными, называется инжекцией носителей заряда. Выведение носителей заряда из области полупроводника, где они являются неосновными, через контакт металл-полупроводник или электронно-дырочный переход ускоряющим электрическим полем, созданным действием внешнего напряжения, называется экстракцией носителей заряда.

Если j(x)/j₀=1, т.е. контакт не меняет концентрацию неосновных носителей заряда, то он называетсяомическим.

Рассмотрим механизм прохождения тока через омический контакт. В электронном полупроводнике ток обусловлен в основном электронами. Электроны выходят из полупроводника на положительный электрод с той же скоростью, с какой они входят в полупроводник с отрицательного электрода; Следовательно, в полупроводнике плотность электронов остается той же самой, какая была и при отсутствии тока. Это необходимое условие электронейтральности.

В полупроводнике р-типа ток обусловлен в основном дырками, а в металлических выводах, соединяющих полупроводник с батареей,- электронами.

Каким же образом меняется способ переноса тока в переходе металл-полупроводник?

Если подвижные дырки под действием приложенного поля перемещаются в направлении к переходу полупроводник-металл, то они сначала накапливаются на переходе, увеличивая на нем местное поле, которое притягивает электроны из металла в полупроводник. Электроны, входя в полупроводник из металла, рекомбинируют с избыточными дырками.

Если подвижные дырки перемещаются в направлении поля от перехода металл-полупроводник, то на переходе сначала уменьшается число дырок и некоторые ионизированные атомы акцептора уже не могут нейтрализоваться. Эти атомы акцептора ведут к увеличению на переходе электрического поля, которое выталкивает электроны от ионизированных атомов акцептора в металл. Электроны входят в металлический электрод.

Если полупроводник собственный, то механизм прохождения тока через контакт металл-полупроводник аналогичен прохождению электронов и дырок в случае n-типа и р-типа.

Таким образом, в случае омического контакта электроны в состоянии легко проходить между металлом каждого электрода и полупроводником в любом направлении, состав тока одинаков как на самом контакте, так и в объеме. При этом для любого приложенного электрического поля скорость прохождения электронов через металлический вывод равна скорости прохождения дырок через полупроводник в случае дырочного полупроводника и скорости прохождения электронов через полупроводник в случае электронного полупроводника. Токи, проходящие через омический контакт, подчиняются закону Ома в большой области значений приложенного напряжения.

Для получения омического контакта металла с данным полупроводником надо выполнять следующие требования:

использовать металл с работой выходаменьшей, чем у полупроводника, дляn-типа, и большей – для р-типа;

металл должен диффундироватьнемного в полупроводник и создавать примесные центры, соответствующие данному типу проводимости;

иногда необходимо механическое повреждениеповерхности полупроводника, на которую наносится контакт.

Вольт-амперная характеристика выпрямляющего контакта металл-полупроводник

Если привести металл и полупроводник в контакт друг с другом (пайка, напыление, прижатие и т.д.), то в области контакта металл-полупроводник может возникнуть потенциальный барьер, причинами которого могут быть:

● несоответствие между величинами работвыхода у металла и полупроводника;

● наличие поверхностных состоянийу полупроводника;

● наличие посторонних плохо проводящих слоев(пленки, окислы, лак и др.) между металлом и полупроводником.

Рассмотрим изменение потенциального барьера на выпрямляющем контакте металл-полупроводник, к которому приложено внешнее напряжение (рис. 2.32, а, б, в).

Если к выпрямляющему контакту (рис. 2.32, б) электронного полупроводника с металлом приложить внешнее напряжениеU в направлении, совпадающем с контактной разностью потенциалов (плюс источника подан на полупроводник), то потенциальный барьер со стороны полупроводника увеличится на величинуеU(если пренебречь падением напряжения в объеме полупроводника), а энергетические уровни электронов и уровень Ферми в полупроводнике сместятся на величинуеU. Толщина запирающего слоя при этом увеличится:

(2.75)

где n– концентрация носителей заряда в полупроводнике (nN_д) при условии, что все доноры ионизированы, а концентрация собственных носителей мала.

а) б) в)

Рис. 2.32. Влияние внешнего поля, приложенного к выпрямляющему контакту металл – полупроводник, на энергетические уровни полупроводника п-типа: а – равновесное состояние; б – напряжение приложено в запорном направлении; в – напряжение приложено в обратном направлении

Высота потенциального барьера со стороны металла при этом не измениться. Такое направление называется запорным.

Если к выпрямляющемуся контакту приложить внешнее напряжение Uв направлении, противоположном контактной разности потенциалов (минус источника подан на полупроводник), то потенциальный барьер со стороны полупроводника уменьшиться на величинуеU(рис. 2.32, в). Толщина запирающего слоя при этом уменьшиться:

. (2.76)

Высота же потенциального барьера со стороны металла остается неизменной. Такое направление называется прямым.

Для описания процесса происхождения носителей заряда через потенциальные барьеры, возникающие на контакте металл-полупроводник, можно привлечь два простых механизма: квантовомеханический туннельный эффект и надбарьерное прохождение носителей заряда с достаточной для этого перехода энергией.

Если приложить внешнее поле к контакту металл-полупроводник, то величина потенциального барьера со стороны полупроводника изменяется в зависимости от знака приложенного напряжения:

еU=еU_кеU, (2.77)

где знак минус при еUсоответствует прямому направлению внешнего поля, знак плюс – запорному. При этом величина тока, обусловленного эмиссией электронов,

. (2.78)

Ток J₁имеет направление от металла к полупроводнику. Так как величина барьера со стороны металла при этом не изменяется, то величина тока, обусловленного эмиссией электронов из металла в полупроводник:

(2.79)

Ток J₂имеет направление от полупроводника к металлу.

Используя выражение (2.78) и (2.79), найдем величину результирующего тока J:

, (2.80)

где

Уравнение (2.80), выражающее зависимость тока от величины и знака приложенного напряжения, есть уравнение вольт-амперной характеристики выпрямляющего контакта металл-полупроводник. Знак "+" при соответствует прямому (пропускному) направлению внешнего поля, знак "-" – запорному (обратному).

Как в диодной, так и вдиффузионнойтеории получается одинаковое выражение для вольт-амперной характеристики выпрямляющего контакта металл-полупроводник. Однако существенное и количественное различие для тока насыщения в диодной (а)J_s=1/4nV_Тдиффузионной (б)J_s=еnV_д теорий заключается в следующем:

I. Так как дрейфовая скорость электронаV_двсегда меньше тепловой скоростиV_Т, тотокнасыщения(б) много меньше, чем (а),

2. Ток насыщения (а) не зависит от приложенного напряжения, в то время как в (б) он растет для запорного направления с ростом приложенного напряжения.

Обе эти стороны являются достоинствами тонкого запирающего слоя, для которого применима диодная теория. Недостаток его в том, что он не выдерживает высоких обратных напряжений из-за электростатической ионизации.

При большей величине обратного напряжения U_oбр.начинают играть роль дополнительные процессы: увеличение числа носителей за счет сильного поля (электростатическая и ударная ионизация), разогревание контакта и др., которые приводят к очень быстрому нарастанию обратного тока и пробою запирающего слоя. При этом ток резко возрастает, а напряжение на контакте падает (см. рис. 2.33).

U_K

Рис. 2.33. Вольт – амперная характеристика выпрямляющего контакта полупроводника с металлов. 1 – туннельный пробой; 2 – лавинный пробой; 3 – тепловой пробой

Диодная и диффузионная теории в равной мере применимы и к дырочному полупроводнику, если в нем на границе с металлом имеется запирающий слой. При этом в уравнениях вместо nнадо писать р, а плюсU заменить на минусU. Пропускным направлением в этом случае будет такое, когда на р-полупроводник подан плюс.