Розділ 8. Електричні, термоелектричні та оптичні властивості контактів

8.1. Випрямляючі властивості бар’єра Шотткі

Важливою властивістю блокуючого бар’єра є його здатність створювати різний опір залежно від напрямку пропускання струму через контакт. Залежність опору від напрямку пропускання струму настільки сильна, що спричиняє практично односторонню провідність контакту. Розглянемо причини такої залежності на прикладі бар’єра Шотткі.

У стані рівноваги потік електронів при Т = 0 К за відсутності зовнішнього електричного поля основні носії з боку напівпровідника не здатні переходити через площину його контакту з металом внаслідок наявності потенціального бар’єру ψ_s0, що блокує такий рух, а неосновні носії, для яких поле області просторого заряду є прикорюючим, відсутні. Електрони з боку металу також нездатні перейти у напівпровідник, оскільки для цього їм потрібно здолати бар’єр висотою χ₀₁ – χ_{с 2} > ψ_s0 (рис. 7.4.б). При T > 0 К у обох кристалах енергія електронів зростає, крім того у напівпровіднику з’являються неосновні носії, які дифундують до площини контакту, створюючи дифузійний струм. До нього додається струм тепловий, викликаний можливістю електронів долати блокуючий бар’єр внаслідок наявного запасу кінетичної енергії. Проте за відсутності зовнішнього джерела електричного поля струми протилежних напрямків завжди однакові по величині, отже і у цьому випадку результуючий струм дорівнює нулю.

Мінімальний запас кінетичної енергії електрону напівпровідника, необхідний для переходу у метал дорівнює висоті бар’єру: m_e^*υ²/2 = ψ_s0. Підставляючи цю рівність у (7.8), отримуємо щільність струму, що відповідає рівноважному електронному потоку

, (8.1)

де – середня швидкість теплового руху електронів, n_n = n_n0e^-ψ_s0/(k_BT) –концентрація основних носіїв у приконтактній області, а – їх рівноважна концентрація у напівпровіднику n-типу.

Увімкнемо контакт метал – напівпровідник у електричне коло, підключивши метал до негативного, а напівпровідник – до позитивного полюсів джерела. Такий спосіб підключення називають зворотним, відповідно і створену напругу U на ньому – зворотною; з міркувань, зрозумілих із подальшого викладення, знак її вважають від’ємним. Оскільки опір контакту великий, то практично усе падіння напруги припадає саме на область просторового заряду у якій внаслідок ефекту поля відбувається викривлення енергетичних рівнів, показане на рис. 7.3 а). При досягненні рівноваги усі рівні енергетичного спектру напівпровідника опустяться вниз по шкалі енергій на величину eU, на цю ж величину зменшиться і його хімічний потенціал. Рішенням рівняння Пуассона тепер є функція

, (8.2)

отже поверхневий потенціал набуває значення _s = _s0 – eU, більшого, ніж за відсутності зовнішнього поля (U < 0). Збільшення висоти блокуючого бар’єру природно зменшує проникність контакту – тепер щільність струму експоненціально зменшується при зростанні величини зворотної напруги, оскільки формула (8.1) набуває вигляду

, (8.3)

де j_s – щільність струму, що відповідає рівноважним електронним потокам за відсутності зовнішнього поля; до того ж зростає ширина області збіднення:

. (8.4)

Зміна висоти потенціального бар’єру під дією зовнішнього поля порушує рівновагу між струмами протилежних напрямків через контакт – його щільність з боку напівпровідника зменшується, тоді як струм з боку металу залишається незмінним – його величина визначається різницею робіт виходу χ₀₁ – χ_{с 2} і не залежить від U.

Результуючий струм через контакт характеризується щільністю

(8.5)

величина якої при збільшенні зворотної напруги зростає, асимптотично наближаючись до значення j_s (ділянка ОА рис. 8.1). Від’ємні значення j, що одержуються з (8.5) при U < 0 свідчать про те, що струм протікає від напівпровідника до металу.

При увімкненні зовнішнього поля протилежного напрямку (його називають прямим) динаміка змін енергетичних рівнів змінюється на протилежну – висота потенціального бар’єру зменшується на величину eU, зменшується ширина області збіднення, струм через контакт зростає і тим сильніше, чим більша напруга від зовнішнього джерела. Формули (8.4) і (8.5) використовуються також і у випадку прямого увімкнення контакту (до тих пір, поки eU < _s0), тільки, на відміну від зворотного, тут падіння напруги U вважають додатним. Струм при прямому увімкненні контакту протікає від металу до напівпровідника (j > 0) експоненціально зростаючи при збільшенні напруги (ділянка ОВ на рис. 8.1).

Рис. 8.1. Вольт-амперна характеристика бар’єра Шотткі

Залежність сили струму через елемент електричного кола називається його вольт-амперною характеристикою. Графік такої залежності для бар’єра Шотткі показаний схематично на рис. 8.1. З його вигляду видно, що вольт‑амперна характеристика бар’єра Шотткі має яскраво виражений несиметричний вигляд. У області прямих зміщень (U > 0) струм стрімко зростає при збільшенні поданої на контакт напруги, тоді як у області зворотних зміщень – малий і практично не залежить від напруги. Отже, контакт напівпровідника з металом здатний випрямляти змінний струм – пропускати його в прямому напрямку і не пропускати у зворотному. На його основі створюються електронні пристрої для випрямлення змінного струму – діоди Шотткі.

Основною характеристикою випрямляючого контакту є коефіцієнт випрямлення – відношення сили струму, що протікає у прямому напрямку до його значення у зворотному при однакових величинах прямої і зворотної різниці потенціалів. Для діодів Шотткі ця величина сягає значень від десятків до сотень тисяч.

Зауважимо, що при виводі співвідношень, що стосуються струмів через бар’єр Шотткі ми не розглядали дифузійних струмів, пов’язаних з появою неосновних носіїв. Їх впливом можна знехтувати, якщо вибирати температурні режими роботи діода Шотткі далекими від температури появи властивої провідності. У цьому випадку як при прямому, так і при зворотному зміщенні струми у діодах Шотткі будуть обумовлені виключно основними носіями – електронами. З цієї причини у них практично будуть відсутні рекомбінаційні і дифузійні процеси, що забезпечить практичну безінерційність перемикання і високий рівень швидкодії.

Особливості випрямляючих властивостей напівпровідникових діодів будуть розглянуті детальніше у наступному розділі.