4.13. Контакт металл – полупроводник

При контакте металла с полупроводником основную роль в контактных явлениях играют работы выхода металла и полупроводника.

К огда металл и полупроводник находятся на некотором расстоянии, между ними существует разность потенциалов, определяемая разностью работ выхода металла и полупроводника (рис. 4.22).

При сближении металла и полупроводника возникшее электрическое поле вызывает перераспределение зарядов в них.

Если уровень Ферми изолированного металла W_Fм лежит ниже уровня Ферми полупроводника W_Fn, то есть А_М > А_П, то в первый момент их соприкосновения поток электронов из полупроводника превышает поток электронов из металла. Металл заряжается отрицательно, а полупроводник положительно, и возникшее между ними электрическое поле будет препятствовать переходу электронов из полупроводника в металл.

Направленный поток электронов будет иметь место до тех пор, пока уровни Ферми в металле и полупроводнике не сравняются и не установится динамическое равновесие, характеризующееся равенством токов термоэлектронной эмиссии:

j_м0 = j_п0.

Однако 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 область объемного заряда в полупроводнике. Поэтому небольшая добавка за счет контактного поля не может изменить ширину запрещенной зоны полупроводника, но искривляет его энергетические уровни (рис. 4.23). В зависимости от соотношения между работами выхода и типом электропроводности полупроводника в контакте металл – полупроводник может появиться слой как обогащенный зарядами, так и обедненный.

В электронном полупроводнике, если работа выхода электронов из полупроводника меньше работы выхода из металла А_П < А_М, то полупроводник заряжается положительно и зоны энергии в приконтактной области искривляются кверху. Поэтому вблизи контакта число электронов в зоне проводимости убывает, а число дырок в валентной зоне возрастает по сравнению с их числом в объеме полупроводника, возникает обедненный основными носителями слой, то есть слой с пониженной удельной проводимостью. Такой контакт называется запирающим.

У дырочного полупроводника при том же условии возникает слой, обогащенный основными носителями заряда (слой с повышенной удельной проводимостью), который называется антизапирающим.

Если работа выхода из полупроводника больше работы выхода из металла А_М < А_П, полупроводник заряжается отрицательно и зоны энергии в приконтактной области искривляются книзу, поэтому вблизи контакта число электронов в зоне проводимости увеличивается, а число дырок в валентной зоне убывает. Таким образом, в электронном полупроводнике возникает антизапи-рающий слой, а в дырочном – запирающий (рис 4.24).

В том случае, если работа выхода электронного полупроводника меньше работы выхода металла А_Пn<A_М или работа выхода дырочного полупроводника больше, чем работа выхода металла А_М < А_Пр, то возникает выпрямляющий контакт. В отсутствие внешнего поля потоки носителей заряда, переходящих из одного материала в другой, уравновешивают друг друга. Если приложить внешнее напряжение плюсом к металлу, минусом к полупроводнику, то величина барьера снизится, и потоки электронов из полупроводника в металл и дырок из металла в полупроводник возрастут, а обратные потоки уменьшатся. В реальных переходах потоками дырок в обоих направлениях можно пренебречь, поэтому инжекции дырок в n-полупроводник или электронов в р-полупроводник не происходит.

Т аким образом, основное отличие контакта металл – полупроводник от электронно-дырочного перехода состоит в том, что в этом случае не происходит инжекции неосновных носителей заряда. Такой выпрямляющий контакт называют барьером Шоттки.

Невыпрямляющий контакт образуется при контакте электронного полупроводника с металлом при условии, что работа выхода полупроводника больше работы выхода металла. В этом случае вблизи границы раздела в полупроводнике возникает обогащенный основными носителями слой. Поэтому все электроны полупроводника могут переходить в металл, а электроны металла, энергия которых больше пороговой, – в полупроводник. В равновесных условиях эти потоки уравновешивают друг друга. Если приложить внешнее напряжение плюсом к металлу, минусом к полупроводнику, то количество электронов, переходящих из металла в полупроводник, уменьшится, следовательно, возрастет прямой ток, определяемый разностью потоков. При приложении обратного напряжения возрастает переход электронов из металла в полупроводник, то есть обратный ток. Таким образом, контакт одинаково хорошо пропускает в обоих направлениях.