Тема: Контакт металл – полупроводник

Лекция № 8.

Содержание:

1. Особенности контакта металл-полупроводник. Запорный и омический контакты.

2. Запорный слой и его свойства.

3. Диоды Шоттки.

1. Особенности контакта металл-полупроводник. Запорный и омический контакты.

Основное отличие металла от полупроводника - это огромная концентрация электронов.

В месте соприкосновения полупроводникового кристалла п- или р-типа проводимости с металлами возникает контакт «металл- полупроводник».

Происходящие при этом процессы определяются соотношением работ выхода электрона из металла Ам и из полупроводника Ап. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов может выйти из данного тела.

В зависимости от соотношения работ выхода и типа электропроводности полупроводника возможны четыре типичных ситуации при контакте металла и полупроводника:

1. Ам < Ап полупроводник п-типа. В данном случае будет преобладать выход электронов из металла (М) в полупроводник, поэтому в слое полупроводника около границы раздела накапливаются основные носители (электроны), и этот слой становится обогащенным, т.е. имеющим повышенную концентрацию электронов.

Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения, и. следовательно, такой переход не обладает выпрямляющим свойством. Его иначе называют невыпрямляющим переходом (или омическим контактом).

2. Ам > Ап полупроводника р-типа. В этом случае будет преобладать выход электронов из полупроводника в металл, при этом в приграничном слое также образуется область, обогащенная основными носителями заряда (дырками), имеющая малое сопротивление. Такой переход также не обладает выпрямляющим свойством.

3. Ам > Ап полупроводник п-типа. При таких условиях электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полупроводника образуется область, обедненная основными носителями заряда и имеющая большое сопротивление.

Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенно зависеть от полярности приложенного напряжения.

4. Ам > Ап полупроводник р-типа. Контакт, образованный при таких условиях обладает выпрямляющим свойством, как и предыдущий.

Отличительной особенностью контакта «металл -полупроводник» является то. что здесь высота потенциального барьера для электронов и дырок разная.

В результате такие контакты могут быть при определенных условиях неинжектирующими, т.е. при протекании прямого тока через контакт в полупроводниковую область не будут инжектироваться неосновные носители, что очень важно для высокочастотных и импульсных полупроводниковых приборов.

Приконтактный слой, обогащенный основными носителями заряда, имеет малое сопротивление (по сравнению с остальным объемом полупроводника) и не обладает свойством выпрямлять переменный электрический ток. Если ток и разность потенциалов от внешнего источника на контакте подчиняются закону Ома, то он называется омическим.

Свойства омических переходов:

Основное назначение омических переходов - электрическое соединение полупроводника с металлическими токоведущими частями полупроводникового прибора. Омических переходов в полупроводниковых приборах больше, чем выпрямляющих.

Омический переход имеет меньшее отрицательное влияние на параметры и характеристики полупроводникового прибора, если выполняются следующие условия:

- если вольтамперная характеристика омического перехода линейна, т.е. омический переход действительно является омическим;

- если отсутствует инжекция неосновных носителей заряда через омический переход в прилегающую область полупроводника и накопление неосновных носителей в омическом переходе или вблизи него;

- при минимально возможном падении напряжения на омическом переходе, т.е. при минимальном его сопротивлении.

2. Запорный слой и его свойства.

В связи с тем, что металл и полупроводник обладают различными электрофизическими свойствами: диэлектрической проницаемостью е, шириной запрещенной зоны (у металла ее нет, а у полупроводника она есть) и работой выхода , контакт между ними может быть как выпрямляющим, так и невыпрямляющим - омическим.

Проводимость в контактах металл-полупроводник осуществляется носителями одного знака (монополярная проводимость). В результате предел применимости их по частоте выше, чем для А-п-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 Ам и полупроводника Ап.

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 I электрона меньше толщины запорного слоя d, а второй при обратном соотношении. В соответствии с этим существует две теории выпрямления: диффузионная (I<<d) и диодная (I>>d).

В обоих случаях в прямом смещении ток через диод определяется:

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.

3. Диоды Шоттки.

Работа диодов Шоттки основана на переносе основных носителей заряда. Перенос зарядов в барьере Шоттки осуществляется в основном за счёт термоэлектронной эмиссии в отличие от р-п-перехода, где перенос осуществляется за счёт инжекции и диффузии неосновных носителей заряда.

Напряжение, приложенное к диоду Шоттки, непосредственно управляет потоком заряда, преодолевающих потенциальный барьер. Действительно, при прямом смещении электроны из полупроводника переходят в металл. В момент перехода их энергия превосходит энергию основной массы электронов металла на величину энергии прёодолённого барьера.

Однако спустя короткое время, порядка с, за счёт со ударений они теряют избыток энергии. Это исключает их воз­вращение в полупроводник и предопределяет практически без инерционное (без задержки) участие в дальнейших процессах, обусловленных изменением внешнего напряжения. Поэтому диоды Шоттки являются наиболее высокочастотными.

Обратный ток реального барьера Шоттки больше чем идеального, определяемого формулой. При отрицательном напряжении процессы переноса имеют обратное направление. Идеальной моделью учитывается только ток, создаваемый переносом электронов из металла в полупроводник.

Литература:

1. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники: Учеб. пособие для вузов / — 2-е изд., перераб. и доп. — М.Лаборатория Базовых Знаний, 2004. — 488 с: ил. I

2. Марголин В,И., Жабрев В.А., Тупик В.А. Физические основы микроэлектроники. - М.: Издательский центр "Академия", 2008. - 400 с.

3. Епифанов Г. И. Физические основы микроэлектроники. М.: «Советское радио», 1971, стр. 376.

Дата добавления: 2014-01-15