3. Образование инверсного слоя в барьерах Шоттки

Н а рис.5. представлена энергетическая диаграмма для выпрямляющего контакта металл – узкозонный (ΔW<1эВ) электронный полупроводник, когда P_м>P_n. В состоянии термодинамического равновесия неосновные носители (дырки в полупроводнике n-типа) скапливаются на границе с металлом. Если концентрация дырок p превышает концентрацию электронов n, то в плоскости контакта образуется слой с инверсным типом проводимости. Образование инверсного слоя сильно изменяет электрические свойства контакт металл-полупроводник.

4. Невыпрямляющие (омические) контакты металл-полупроводник

С помощью омических невыпрямляющих контактов происходит электрическое соединение полупроводников с металлическими проводниками. От качества этих контактов в значительной степени зависят параметры и характеристики приборов, а также их надежность и срок службы. Основные требования комическим контактам: 1) при прямом смещении они должны обеспечивать инжекцию основных носителей в полупроводник; 2) при обратном смещении препятствовать инжекции неосновных носителей в полупроводник; 3) иметь минимальное электрическое сопротивление; 4) иметь линейную вольт-амперную характеристику (ВАХ).

Эти условия выполняются при правильном подборе пары металл – полупроводник. Зонная диаграмма контакта металл - полупроводник n-типа приведена на рис. 6. Для этой пары должно выполняться соотношение Р_м<Р_n, где Р_м – термодинамическая (внешняя) работа выхода электрона из металла, а Р_n – из полупроводника n-типа. В такой паре энергия электронов в металле больше, чем в полупроводнике, и при установлении термодинамического равновесия часть электронов из металла перетекает в полупроводник. Уровень Ферми W_F в металле и полупроводнике выравнивается. Вблизи металлургической гран ицы со стороны металла возникает тонкий слой d_м, обедненный электронами (т.е. заряженный положительно), а со стороны полупроводника – слой d_n, обогащенный электронами. Контактное электрическое поле Е_к направлено из металла в полупроводник. Оно приводит к изгибу уровней энергии дна зоны проводимости W_c и верха валентной зоны W_c в области d_n. Однако напряженность контактного поля на несколько порядков меньше внутриатомной, поэтому ширина запрещенной зоны DW и внешняя работа выхода Р_с остаются постоянными. Поле Е_к способствует электрическому дрейфу основных носителей элект ронов из полупроводника в металл и препятствует дрейфу неосновных носителей дырок. В состоянии термодинамического равновесия дрейфовая I_nE и диффузионная I_nD, составляющие электронного тока через металлургическую границу, уравновешивают друг друга.

Большая концентрация электронов в области контакта обеспечивает его высокую проводимость при любой полярности внешнего смещения. Потенциальный барьер j = qy препятствует инжекции неосновных носителей – дырок.Зонная диаграмма полупроводника n - типа с двумя омическими контактами при внешнем смещении приведена на рис.7. Проводимость металлов на несколько порядков больше проводимости полупроводников, поэтому практически все напряжение U будет приложено к полупроводнику n - типа, потенциал вдоль него изменяется линейно, также изменяется энергия электронов, и уровень Ферми имеет наклон. Левый омический контакт оказывается прямосмещенным, его толщина d_пр становится меньше d_n, и через небольшой горбик электроны из металла инжектируются в полупроводник n-типа, затем они скатываются вниз по наклону дна зоны проводимости, достигают обогащенной электронами зоны правого обратносмещенного контакта и через металлургическую границу попадают (стекают) в правый металлический контакт, откуда уходят во внешнюю цепь. Дырки из правого контакта не могут преодолеть потенциальный барьер и инжектироваться в полупроводник. Неосновные носители практически не участвуют в проводимости полупроводника.

Зонная диаграмма контакта металл – полупроводник р-типа в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис.8. Для этой пары должно соблюдаться условие Р_м >Р_р, тогда при установлении термодинамического равновесия E_к направлено из полупроводника в металл, вблизи металлургической границы возникает обогащенная дырками область, а неосновные носители – электроны находятся в потенциальной яме глубиной j = qy и не могут инжектироваться в металл.

Вольтамперная характеристика омического контакта металл-полупроводник приведена на рис.9. Характеристика является линейной, небольшие нелинейности возникают при больших прямых и обратных напряжениях.

Изготовление омических контактов связано с большими трудностями. Концентрация дефектов и примесей на поверхности полупроводников существенно выше, чем в глубине монокристалла. На поверхности образуются обедненные основными носителями области и слои с инверсным типом проводимости, что существенно ухудшает свойства омических контактов. Для устранения этих недостатков создаются омические М–n⁺–n или М–р⁺–р контакты. Зонная диаграмма контакта М–n⁺–n в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис.10. В связи с тем что металл контактирует с вырожденным полупроводником n⁺-типа, поверхностные дефекты не оказывают существенного влияния на качество контакта, а граница раздела вырожденный полупроводник n+ – низколегированный полупроводник n-типа находится в глубине монокристалла, где концентрация примесей и дефектов меньше, чем на поверхности. Аналогично изготавливают контакт М–р⁺–р.