Контакт металл-полупроводник. Барьер Шоттки

При объединении металла и n- полупроводника уровни Ферми выравниваются, а энергетические уровни дна зоны проводимости Ес и потолка валентной зоны Еv изгибаются. Если работа выхода из полупроводника Ф_п/п меньше, чем работа выхода из металла Ф_Ме , то электроны из полупроводника будут переходить в металл до тех пор, пока уровни Ферми не займут одинакового положения. По окончании переходного процесса в полупроводнике возникнет положительный пространственный заряд, поддерживаемый контактной разностью потенциалов - потенциальным барьером, высота которого равна разности работ выхода: Δφ_к = (Ф_Ме - Ф_п/п) / q . Граница зоны проводимости искривляется вверх. В полупроводнике концентрация электронов значительно меньше, чем в металле. Объемный заряд в металле распространяется на небольшую глубину, порядка 10^-7 см. В полупроводнике эта область (ширина перехода l₀) значительно больше. Приграничная область обеднена носителями заряда, поэтому более высокоомна и определяет сопротивление всей системы. Условие для соединения металл - n- полупроводник Ф_Ме > Ф_п/п формирует запирающий (блокирующий, выпрямляющий) контакт.

Рис. Зонная диаграмма соединения металл - n- полупроводник Ф_Ме > Ф_п/п (барьера Шоттки).

В равновесном состоянии потоки электронов из металла и полупроводника одинаковы и направлены навстречу друг другу. Плотность суммарного тока, протекающего через контакт равна нулю.

При включении контакта в прямом направлении («минус» к полупроводнику) поток электронов из металла сохраняется неизменным, а из полупроводника – поток возрастает экспоненциально в соответствии с законом Больцмана. Нарушается токовый баланс в сторону полупроводника. Прямая ветвь вольтамперной характеристики (ВАХ) нелинейна. На начальном этапе крутизна ВАХ мала, т. к. возникает необходимость компенсации потенциального барьера.

При обратном включении («плюс» к полупроводнику) поток электронов из металла сохраняется неизменным, а из полупроводника – поток уменьшается экспоненциально в соответствии с законом Больцмана. Потенциальный барьер существенно возрастает, блокируя поток электронов из металла вплоть до напряжения пробоя полупроводника в приграничной области.

Рис. Вольт-амперная характеристика соединения металл - n- полупроводник Ф_Ме > Ф_п/п.

Условие для соединения «металл - n- полупроводник» Ф_Ме < Ф_п/п предопределяет инжекцию электронов из металла в n- полупроводник. Это уменьшает сопротивление приграничной области. Формируется антизапирающий контакт (не обладает выпрямляющими свойствами).

Условие для соединения «металл - р- полупроводник» Ф_Ме > Ф_р/п , наоборот, формирует антизапирающий контакт, а условие Ф_Ме < Ф_п/п - запирающий.

Контакт металла с собственным полупроводником является антизапирающим при любом соотношении работ выхода.

Форма потенциального барьера на контакте "металл-полупроводник" была рассчитана в конце 30-х годов нашего века германским физиком В. Шоттки, поэтому структуры "металл-полупроводник" получили название диодов Шоттки. Благодаря малой ширине перехода l₀ контакты используются в диапазоне СВЧ.