Р ис. 9. Диффузионный р-п-переход (а) и распределение примесей в полупроводнике после диффузии в него доноров (б).

Рис. 10. Схема технологического процесса формирования планарного р-п-перехода:

а — окисленная пластинка полупроводника с нанесенным фоторезистом, б — экспонирование фоторезиста через маску или фотошаблон, в — пластинка после растворения незаполимеризованного фоторезиста, г — пластинка после вытравливания незащищенного слоя оксида, д — пластинка после снятия фоторезиста и проведения диффузии акцептора

Контакт металл-полупроводник

В современных полупроводниковых приборах помимо контактов с p-n-переходом применяются контакты «металл – полупроводник».

Контакт «металл – полупроводник» возникает в месте соприкосновения полупроводникового кристалла n- или р-типа проводимости с металлами. Происходящие при этом процессы определяются соотношением работ выхода электрона из металла и из полупроводника . Под работой выхода электрона понимают энергию, необходимую для переноса электрона с уровня Ферми на энергетический уровень свободного электрона. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов может выйти из данного тела. В результате диффузии электронов и перераспределением зарядов нарушается электрическая нейтральность прилегающих к границе раздела областей, возникает контактное электрическое поле и контактная разность потенциалов

.

Переходный слой, в котором существует контактное электрическое поле при контакте «металл – полупроводник», называется переходом Шоттки, по имени немецкого ученого В. Шоттки, который первый получил основные математические соотношения для электрических характеристик переходов.

Контактное электрическое поле на переходе Шоттки сосредоточено практически в полупроводнике, так как концентрация носителей заряда в металле значительно больше концентрации носителей заряда в полупроводнике. Перераспределение электронов в металле происходит в очень тонком слое, сравнимом с межатомным расстоянием.

В зависимости от типа электропроводности полупроводника и соотношения работ выхода в кристалле может возникать обедненный, инверсный или обогащенный слой носителями электрических зарядов (см. рис. 2.15).

Отличительной особенностью контакта «металл – полупроводник» является то, что в отличие от обычного p-n-перехода здесь высота потенциального барьера для электронов и дырок разная. В результате такие контакты могут быть при определенных условиях неинжектирующими, т. е. при протекании прямого тока через контакт в полупроводниковую область не будут инжектироваться неосновные носители, что очень важно для высокочастотных и импульсных полупроводниковых приборов.

Пусть уровень Ферми в металле φ_FM который всегда расположен в зоне проводимости, лежит выше уровня Ферми полупроводника p-типа φ_FP.

Так как энергия электронов металла больше энергии носителей заряда полупроводника, то часть электронов перейдет из металла в полупроводник. Переход будет продолжаться до тех пор, пока уровни Ферми вблизи контакта не выровняются, так как в равновесной системе уровень Ферми должен быть единым. В полупроводнике вблизи контакта окажется избыточный заряд электронов , которые начнут рекомбинировать с дырками. Концентрация дырок вблизи контакта уменьшится, т.к. произведение концентраций n_en_p в равновесном состоянии постоянно. Уменьшение концентрации дырок приведет к нарушению электронейтральности на этом участке. Отрицательно заряженные ионы акцепторной примеси не будут скомпенсированы зарядами дырок. Вблизи места контакта образуется слой подвижных отрицательно заряженных ионов акцепторной примеси. С уходом электронов из металла тонкий слой, прилегающий к месту контакта, зарядится положительно. В результате у границ контакта возникнут объемные заряды и появится контактная разность потенциалов. Образовавшееся электрическое поле будет препятствовать дальнейшему движению электронов из металла в полупроводник и способствовать переходу электронов из полупроводника p-типа в металл.

Результирующий ток через переход равен нулю в равновесном состоянии. Так как концентрация основных носителей заряда (дырок) в приконтактном слое полупроводника понижена по сравнению с их концентрацией в его объеме, то этот слой имеет повышенное удельное сопротивление, которое будет определять сопротивление всей системы.

Уменьшение или увеличение концентрации носителей заряда характеризуется изменением положения уровня Ферми относительно соответствующих зон. При уменьшении концентрации дырок и увеличении концентрации электронов энергетическое расстояние между потолком валентной зоны и уровнем Ферми увеличивается, а между дном зоны проводимости и уровнем Ферми уменьшается. Поэтому энергетические уровни на узком приконтактном участке, толщина которого характеризуется дебаевской длиной lp, искривлены:

Если к системе подключить внешнее напряжение: "+" - к полупроводнику, "-" - к металлу, то возникнет дополнительное электрическое поле, снижающее внутреннее электрическое поле в переходе. Сопротивление приконтактного высокоомного слоя уменьшается и через переход потечет ток, обусловленный переходом электронов из металла в полупроводник. Увеличение приложенного напряжения приводит к увеличению тока.

При смене полярности приложенного напряжения: "+" - к металлу, "-" - к полупроводнику, внешнее электрическое поле суммируется с внутренним и приконтактый слой расширяется, сопротивление перехода увеличивается. Так как электрическое поле не препятствует движению электронов полупроводника р-типа, электроны проходят через переход, вызывая ток в цепи. Этот ток мал в связи с низкой концентрацией неосновных носителей заряда. Таким образом, переход между металлом и полупроводником обладает вентильными свойствами. Переход называют барьером Шотки.

Аналогичные процессы имеют место при контакте металла с полупроводником n-типа, у которого уровень Ферми выше, чем у металла. Электроны из полупроводника переходят в металл, искривляя вверх энергетические уровни и обедняя контактный поверхностный слой основными носителями заряда.

Это приводит к нарушению электронейтральности на данном участке и образованию областей, состоящих из нескомпенсированных положительных ионов донорной примеси. Возникают контактная разность потенциалов и переход, обладающий вентильными свойствами.

В зависимости от положения уровня Ферми в металле, при его контакте с полупроводником в полупроводнике может образоваться инверсный слой, имеющий противоположный тип электропроводности. Это явление возникает, если взять металл, у которого уровень Ферми ниже середины запрещенной зоны φ_F и полупроводник n-типа и соединить. Энергетические уровни изогнутся так сильно, что вблизи валентной зоны уровень Ферми будет ближе, чем половина запрещенной зоны 0.5φ₃. Такое положение уровня Ферми характеризует электропроводность р-типа.

Соотношение работ выхода электрона	Тип электропроводности полупроводника	Особенности контакта	Свойства электрического перехода
АMe ˂ АП	р	Обедненный слой ПБД ˂ ПБЭ (нарушается компенсация заряда ионов примеси основными НЗ)	Выпрямляющий, неинжектирующий (т.к. ПБД ˂ ПБЭ)
	р	Инверсный слой (при АMe ˂ ˂ АП)	Выпрямляющий, инжектирующий (из инверсного слоя в объем п/п при малых Uпр)
	п	Обогащенный слой (происходит накопление основных НЗ у контакта)	Омический (сопротивление мало при любой полярности Uвнеш)
АMe ˃ АП	п	Обедненный слой ПБД ˃ ПБЭ	Выпрямляющий, неинжектирующий
	п	Инверсный слой (при АMe ˃ ˃ АП)	Выпрямляющий, инжектирующий
	р	Обогащенный слой	Омический