8

Лекция 6. Контакты металл-полупроводник

Контакты металл-полупроводник получили наибольшее распространение на практике. Это связано с двумя их характерными особенностями:

1. В связи с тем, что металл и полупроводник обладают различными электрофизическими свойствами: диэлектрической проницаемостью ε, шириной запрещенной зоны ΔW (у металла ее нет, а у полупроводника она есть) и работой выхода Р_М≠P_с, контакт между ними в отличие от p-n-перехода может быть как выпрямляющим, так и невыпрямляющим – омическим.

2. Проводимость в контактах металл-полупроводник осуществляется носителями одного знака (монополярная проводимость). В результате предел применимости их по частоте выше, чем для p-n-переходов.

Выпрямляющие контакты используются для изготовления диодов (диоды Шоттки) способных выполнять различные функции в широком диапазоне частот, а с помощью невыпрямляющих контактов осуществляется подключение полупроводниковых приборов к внешней электрической цепи. Различные свойства указанных контактов зависят от соотношения между термодинамическими работами выхода из металла P_м и полупроводника P_п.

1. Выпрямляющие контакты металл-полупроводник

На рис.1. построена энергетическая диаграмма для выпрямляющего контакта металл – широкозонный (ΔW>1эВ) электронный полупроводник, когда термодинамическая работа выхода P_м>P_n. После осуществления плотного контакта между полупроводником и металлом начинается интенсивный обмен электронами, при этом преимущественный поток будет направлен из полупроводника в металл, так как энергия электронов в полупроводнике больше, чем в металле. В результате поверхность металла будет заряжаться отрицательно, а поверхность полупроводника – положительно и между металлом и полупроводником возникнет контактная разность потенциалов φ₀, которая стремится уравновесить встречные потоки электронов. За счет возникновения контактной разности потенциалов уровень Ферми в полупроводнике опустится и совпадет с уровнем Ферми в металле.

Появление контактной разности потенциалов эквивалентно увеличению работы выхода из полупроводника в металл на величину ψ. Поэтому величина ψ, соответствующая равновесному состоянию, определяется как разность термодинамических работ выхода ψ=P_м–P_n. В рассматриваемом примере в поверхностном слое полупроводника шириной d образуется запорный (обедненный) слой с повышенным сопротивлением, в котором мало электронов, а положительный заряд обусловлен наличием ионизированных атомов доноров. Малая концентрация электронов вблизи контакта характеризуется увеличением расстояния между уровнем Ферми W_F и дном зоны проводимости W_c(x). Поэтому для обедненного контакта границы энергетических зон полупроводника на рис.1. изгибаются вверх.

Искривление энергетических зон свидетельствует о наличии электрического поля Е_к вблизи поверхности полупроводника. Это поле не может повлиять на ширину запрещенной зоны ΔW и внешнюю работу выхода Р_с (сродство к электрону), поскольку даже при малой глубине проникновения d~10^–6 см величина этого поля не превышает ~10⁶ В/см, в то время как напряженность внутриатомных полей, от которых зависят указанные величины, оказывается порядка 10⁸ В/см. Поэтому после осуществления плотного контакта величины ΔW и Р_с на энергетической диаграмме должны остаться неизменными. По этой причине линия W=0, соответствующая энергии свободного электрона, также искривляется, как показано на рис.1.

Концентрация свободных электронов в полупроводнике по мере приближения к контакту убывает по закону

.

Из рис.1. видно, что W_c(x)–W_F=ΔW_Fn+ψ(x), где DW_Fn=kTln(N_c/N_d). Используя это соотношение для n(x) получим

, (1)

где n₀=N_d – равновесная концентрация электронов в глубине полупроводника. При ψ=2.3kT≈60 мэВ концентрация электронов равна 0.1n₀. Обычно контактная разность потенциалов лежит в интервале ψ=0.3÷1 эВ, поэтому можно считать, что во всей обедненной области d, где |ψ(х)|>0, заряд свободных электронов практически равен нулю и объемный положительный заряд доноров вблизи границы Q_d=const. Поэтому величина этого заряда подсчитывается так же как для резкого перехода Q=qN_dd.

В вязи с этим ширина обедненного слоя и величина барьерной емкости могут быть определены по формулам для p-n-перехода с резким распределением примеси:

,

.