коллектор образует с подложкой запертый р-п переход. Барьерная емкость коллектор-подложка шунтирует транзистор. В связи с этим дискретный транзистор более высокочастотен чем такой же в интегральном исполнении.

Глава 4. КОНТАКТ МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК И

ДИОДЫ ШОТТКИ

Выпрямляющие свойства контакта металл-полупроводник известны с 1874 года, а практическое использование с 1904 года. Кристаллические детекторы широко использовались в радиоприемной аппаратуре в 20-е годы. В 30-е годы они были вытеснены вакуумными лампами. Интерес к ним возродился с освоением диапазона СBЧ. Точечные кристаллические диоды, выполненные в виде контакта проволоки из фосфористой бронзы и германиевого, кремниевого или другого полупроводника, исторически являются первыми полупроводниковыми приборами СВЧ. Интерес к электронным приборам на основе контакта металл-полупроводник в настоящее время увеличивается. Это связано с хорошими высокочастотными свойствами приборов и возможностью их изготовления методами современной полупроводниковой технологии.

4.1. Образование контакта металл-полупроводник

Рассмотрим образование выпрямляющего контакта на основе зонной модели. Для определенности будем считать, что имеем дело с полупроводниковым кристаллом п-типа. На рис. 4.1а изображены энергетические диаграммы металла и полупроводника, не соединенных внешним проводом (общим энергетическим уровнем является уровень вакуума).

На рисунке барьер ε0 есть работа выхода металла, εS - работа выхода полупроводника, xS = εS – (εn – εF ) – электронное сродство полупроводника – работа выхода, отсчитанная от дна зоны проводимости. На диаграмме xS < ε0 .

εB

δ0

Рис. 4.1. Энергетические диаграммы, поясняющие образование барьера на контакте металлполупроводник

Замыкание металла и полупроводника внешним проводником дает в системе единый уровень Ферми (рис. 4.1б). Кроме того, в полупроводнике наводится положительный заряд, величина которого зависит от разности работ выхода ε0 – εS и от расстояния между образцами. При δ → 0 получается диаграмма рис. 4.1в. Двойной электрический слой непосредственно на контакте очень тонок и не представляет препятствия для электронов, которые на уровне энергии больше εБп легко туннелируют. Поэтому потенциальный барьер для электронов металл-полупроводник есть

Барьер для электронов полупроводник-металл есть euБi Бn S xS 0 S

Поле в переходе проникает практически только в полупроводник. Ширина барьера определяется величиной разности ε0 – εS и концентрацией доноров ND .

При расчете барьерной емкости р-п перехода было найдено, что при ND << NA напряжение на переходе связано с шириной барьера Б соотношением [(2.32)]

где εS – диэлектрическая проницаемость полупроводника (εS / ε0 = 16 для Jе , 12 для Si и JаS). Подставляя в (4.3) uБi вместо u0 , получаем ширину потенциального барьера (запорного слоя)

движению из полупроводника в металл. При приложении прямого напряжения (отрицательный потенциал к полупроводнику п-типа) барьер понижается. Барьер для электронов металла сохраняется равный εБп = ε0 – xS.

В случае обратного неравенства, ε0 < εS , контакт является омическим, т.е. ток через систему определяется проводимостью образцов, и его величина не зависит от полярности приложенного внешнего напряжения. Энергетические диаграммы для этого случая изображены на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Энергетические диаграммы контакта металл-полупроводник при ε0 < xS

Барьер в области контакта имеется. Однако наведенный заряд в полупроводнике в данном случае отрицательный и, следовательно, его носителями являются основные носители полупроводника п-типа – электроны. Получается очень тонкий слой, образованный пониженной концентрацией электронов в металле и повышенной в полупроводнике. Электроны, попавшие в контактный слой, ускоряются полем перехода. Контактный слой не оказывает сопротивления электронам проводимости.

Если контакт образован металлом и полупроводником р-типа, то выпрямляющий контакт будет при ε0 < xS (рис. 4.3).

Рис. 4,3. Энергетические диаграммы контакта металл-полупроводник p-типа при ε0 < xS

При соединении металла и полупроводника внешним проводом в случае ε0 < xS поверхность полупроводника имеет отрицательный контактный потенциал по отношению к металлу. При сближении образцов поверхность полупроводника заряжается отрицательно и заряд максимален при касании (δ → 0). Носителями заряда являются отрицательные ионы акцепторной примеси. В металле наводится положительный заряд. Возникает

потенциальный барьер, препятствующий движению дырок из полупроводника в металл.

Прямое смещение (положительный потенциал приложен к полупроводнику р-типа) понижает барьер для дырок.

Если ε0 > xS , то контакт с полупроводником р-типа получается омическим. На поверхности полупроводника в этом случае наводится положительный заряд дырок, которые при наличии контакта рекомбинируют с электронами металла.

Экспериментально определенные контактные разности потенциалов отличаются от значений, получаемых из предыдущего рассмотрения. Сильное влияние оказывают поверхностные состояния контактирующих кристаллов, поверхностные пленки и примеси, которые создают на поверхности заряд некоторой концентрации. При большой плотности ионизированных поверхностных состояний высота потенциального барьера и его знак могут не зависеть от величины работы выхода металла и полупроводника. Величина барьера изменяется на величину, определяемую плотностью поверхностных состояний.

В таблице 4.1 приведены значения работы выхода некоторых металлов, используемых в диодах, а в таблице 4.2 значения электронного сродства основных полупроводников.

экспериментально приведена в таблице 4.3. Полезно сравнить эти данные c оценкой (4.1) при использовании данных таблиц 4.1 и 4.2.

Все цифры отличаются от оценки (4.1). Контакты с Al по простой модели Шоттки (рассмотренная выше модель) являются омическими, а экспериментально выпрямляющими кроме контакта с CdS).

Результаты эксперимента сильно зависят от способа, каким подготовлены поверхности полупроводника перед напылением