Лабораторная работа № 4

По дисциплине: Физические основы микроэлектроники

На тему: «Исследование контакта металл – полупроводник на примере диода Шоттки.»

Выполнил: Бережной Сергей Александрович

Группа: МТР-21

Проверил: Сукиязов Александр Гургенович

2013 г.

Цель работы: Изучить физические процессы, возникающие в контакте металл-полупроводник.

Приборы и принадлежности:

а)натурный эксперимент

1. Блок амперметра-вольтметра............1 шт.

2. Блок генератора напряжений…........1 шт.

3. Стенд с объектами исследования.....1 шт.

4. Соединительные провода с наконечниками

б) имитационный эксперимент программа WorkBenth.

Краткая теория.

Рассмотрим контакт электронного полупроводника (л-типа) и металла в предположении, что работа выхода электрона из полупроводника АП меньше работы выхода электрона из металла АМ, то есть АП < АМ.

На рисунке 1а показана зонная энергетическая диаграмма металла (Ме) и полупроводника (п/п) не находящихся в контакте друг с другом. Термодинамическая работа выхода — это расстояние от уровня вакуума ЕО до уровня Ферми в металле АМ или в полупроводнике А.

Если обеспечить идеальный контакт металла и полупроводника (т.е. такой контакт, при котором отсутствует вакуумный или диэлектрический слой между Ме и п/п), то электроны будут переходить преимущественно из полупроводника в металл (так как уровень Ферми в полупроводнике в момент соединения с металлом лежит выше, чем в металле, FП > FМ) (рис.1б). При этом металл заряжается отрицательно, а в полупроводнике возникнет положительный заряд, создаваемый нескомпенсированными донорами, которые получены при уходе электронов проводимости в металл.

Этот поток электронов будет иметь место до тех пор, пока уровни Ферми РП и РМ не выровняются, после чего установится динамическое равновесие (токи jП и jМ будут равны друг другу). Между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов.

Заряд на поверхности металла будет находиться в пределах длины, которая примерно равна 0.05 нм. Т.к. концентрация доноров на несколько порядков меньше концентрации электронов в металле, то нескомпенсированные доноры займут значительный по толщине слой полупроводника Ь, сравнимый с шириной обедненной области р-п перехода, и энергетические зоны в полупроводнике изогнуться вверх (рис. 1в).

Наличие потенциального барьера на границе металл - полупроводник приводит к тому, что возможно явление выпрямления переменного тока, а ВАХ для постоянного тока будет несимметричной.

За положительное напряжение V примем такое напряжение, когда металл имеет положительный потенциал относительно полупроводника. Так как в области объемного заряда L (в приконтактной области полупроводника) свободных электронов практически нет, то удельное сопротивление этой области очень велико и все внешнее напряжение будет падать здесь. При U > О все уровни в полупроводнике сдвинутся вверх на величину еU, рис. 2а. Переход электронов из полупроводника в металл облегчится, высота барьера со стороны полупроводника уменьшится, а со стороны металла высота барьера останется той же самой . Результирующий поток электронов направлен от полупроводника к металлу и увеличивается с ростом напряжения. При этом ширина обедненной области уменьшится.

При U < 0 все уровни в полупроводнике сдвинутся вниз на величину еU, рис.2б, и высота потенциального барьера со стороны полупроводника увеличится, а со стороны металла вновь не изменится. Вследствие этого поток электронов jп со стороны полупроводника уменьшится, и при увеличении II этот поток станет очень мал. Поэтому через барьер будет проходить только постоянный поток электронов из металла и результирующий поток будет идти из металла в полупроводник. При этом ширина обедненной области увеличится.

Процесс протекания тока через выпрямляющий контакт существенно зависит от того, испытывают ли электроны соударения при прохождении через запорный слой или нет. Первый случай реализуется тогда, когда длина свободного пробега l электрона меньше толщины запорного слоя и а второй при обратном соотношении. В соответствии с этим существует две теории выпрямления: диффузионная (l<<d) и диодная (l>>d). На рис. 3 показаны ВАХ, полученные согласно диодной (кривая 1) и диффузионной (кривая 2) теории.

В обоих случаях в прямом смещении ток через диод определяется

экспоненциальным членом:

При обратном смещении экспоненциальный член становится мал по сравнению с единицей, и при больших значениях напряжения в толстом слое ток растет пропорционально а в тонком стремиться к насыщению.

Для большинства реальных контактов идеальная ситуация, рассмотренная ранее, никогда не достигается. Это связано с тем, что поверхность полупроводника всегда может содержать тонкий диэлектрический слой окисла, молекулы воды, ионы различных веществ, а также другие органические и неорганические загрязнители. По этой причине ВАХ реальных полупроводниковых приборов на основе контакта металл-полупроводник (диодов Шоттки) может не совпадать с теоретической.

Дата добавления: 2014-01-15