F_05a_Контактная разность потенциалов (Лекции (Ляхова))

Контакт металл – полупроводник.

Допустим, что в паре "металл-полупроводник" работа выхода для металла выше, чем для полупроводника A_М > A_П. В этом случае электроны легче переходят из полупроводника в металл, чем наоборот. Тогда часть электронов, перейдет из полупроводника в металл. В приграничном слое полупроводника возникнет область пространственного заряда, обедненная свободными носителями заряда (электронами) и между контактирующими телами появится контактная разность потенциалов (около 0,2...0,4В). Хотя разность потенциалов и невелика, но она приложена к пограничному слою толщиной около 10^-7 м, что приводит к появлению контактного электрического поля, направленного от полупроводника к металлу и достаточно сильного (напряженность E=0,2В/10^-7м=2^.10⁶м), чтобы препятствовать дальнейшему переходу электронов в металл. Теперь для того, чтобы осуществить такой переход электрон должен иметь дополнительную энергию. На энергетической диаграмме такой ситуации соответствует изгиб зон вверх (в сторону больших энергий), равный разности работ выхода A_М-A_П и называемый потенциальным барьером. Область пространственного заряда хотя и узка (ее ширина обычно не превышает десятых долей микрометра), но вносит заметный вклад в электрическое сопротивление системы "металл-полупроводник".

Приложим к контакту внешнее напряжение таким образом, чтобы на металле был "+", а на полупроводнике - "-". Созданное им внешнее электрическое поле, направленное противоположно контактному полю, будет смещать электроны в полупроводнике к контакту. В результате область пространственного сузится, ее сопротивление упадет, а потенциальный барьер для электронов понизится - через контакт потечет ток (рис. 1б). Говорят, что контакт смещен внешним напряжением в прямом направлении. Посмотрим, какой будет при этом зависимость тока от приложенного напряжения (вольт-амперная характеристика - ВАХ) (рис. 2).

В области малых напряжений энергия электрического поля затрачивается в основном на компенсацию контактного электрического поля и понижение потенциального барьера. Поскольку при этом лишь малая часть носителей заряда обладает энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, то сопротивление контакта еще велико, ток через контакт незначительный и соответствующий этой ситуации участок 0A прямой ветви ВАХ имеет слабый наклон. При дальнейшем увеличении напряжения энергия электронов оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера и ток резко возрастает (участок AB на ВАХ).

Изменим теперь полярность прикладываемого к контакту "металл-полупроводник" напряжения, так чтобы на металле был "-", а на полупроводнике - "+". В этой ситуации электроны вытягиваются из области пространственного заряда, ее сопротивление увеличивается. Потенциальный барьер возрастает поскольку электрическое поле внешнего источника складывается с контактным полем, препятствующим переходу основных носителей заряда, и, вследствие этого, ток через контакт ничтожно мал. Только при достаточно большом напряжении, когда разогнанные в сильном электрическом поле свободные электроны начнут "выбивать" электроны из химических связей атомов, ток может резко возрасти за счет лавинообразного увеличения числа носителей заряда. Такая ситуация называется "пробоем" и приводит к тепловому разрушению полупроводникового кристалла.

Полярность напряжения на контакте "металл-полупроводник", которая понижает потенциальный барьер и создает значительный ток, ("+" на металле), называется прямым смещением, а соответствующая ей ветвь ВАХ называется прямая ветвь ВАХ. В противоположной ситуации говорят об обратном смещении и обратной ветви ВАХ

Не любые контакты "металл-полупроводник" обладают выпрямляющим действием. Если работа выхода металла меньше, чем полупроводника, то энергетические зоны в области пространственного заряда изогнутся вниз (рис. 3), то есть энергии дна зоны проводимости и потолка валентной зоны вблизи контакта уменьшаются. В полупроводнике n-типа при этом образуется обогащенный электронами слой с пониженным сопротивлением. ВАХ контакта в этом случае будет подчиняться закону Ома (прямая линия), а сам контакт называется омическим. Форма потенциального барьера на контакте "металл-полупроводник" была рассчитана в конце 30-х годов нашего века германским физиком В. Шоттки, поэтому структуры "металл-полупроводник" получили название диодов Шоттки

Если в полупроводниковом кристалле контактируют области с разным типом проводимости (p- и n-типа), то между ними также возникает потенциальный барьер, так называемый электронно-дырочный переход или pn-переход. Рассмотрим как он появляется и каковы его физические свойства.

При возникновении контакта двух полупроводников, в одном из которых высока концентрация дырок (p-тип), а в другом - свободных электронов (n-тип) вследствие теплового движения начинается диффузия основных носителей заряда из "родного" полупроводника в соседний, где концентрация таких частиц во много раз меньше. Дырки переходят из p-полупроводника в n-полупроводник, электроны - из n- в p-полупроводник.

В результате диффузии электронов из n-области в дырочную и дырок из p-области в электронную на границе между этими областями образуется двойной слой разноименных зарядов, и, следовательно, контактная разность потенциалов, которая в случае pn-перехода выше, чем на контакте “металл-полупроводник” и составляет 0,4...0,8В.

При этом, также как и в случае контакта "металл-полупроводник", на границе возникает электрическое поле, препятствующее дальнейшему переходу носителей заряда. То есть, в приграничной области происходит изгиб зон таким образом, что для перехода из одного полупроводника в другой носителям требуется дополнительная энергия. В p-полупроводнике зоны изгибаются вниз, создавая потенциальный барьер для дырок, в n-полупроводнике изгибаются вверх - потенциальный барьер для электронов (см. рис.).

В приграничном слое возникает динамическое равновесие: рекомбинирующие носители заменяются новыми, но общее количество носителей остается постоянным.

При прямом смещении, когда положительный потенциал подан на p-область, дырки устремляются навстречу электронам, которые, преодолевая пониженный потенциальный барьер в области pn-перехода попадают в p-область. При этом происходит рекомбинация электронов и дырок. Вследствие этого "чужие" носители заряда не проникают глубь полупроводников, погибая в области pn-перехода. Протекание тока при этом можно представить в виде двух потоков - электронов и дырок, которые втекают в область рекомбинации с противоположных сторон. С увеличением напряжения возрастают скорости втекающих электронов и дырок и, соответственно, скорость их рекомбинации.

Для pn-перехода прямая ветвь ВАХ pn-перехода такая же, как и в предыдущем случае. В области малых напряжений энергия электрического поля затрачивается в основном на компенсацию контактного электрического поля и понижение потенциального барьера. Поскольку при этом лишь малая часть носителей заряда обладает энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, то сопротивление контакта еще велико, ток через контакт незначительный и соответствующий этой ситуации участок 0A прямой ветви ВАХ имеет слабый наклон. При дальнейшем увеличении напряжения энергия носителей оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера и ток резко возрастает (участок AB на ВАХ). Для одного и того же полупроводникового материала основное отличие ВАХ контакта "металл-полупроводник" и pn-перехода заключается в том, что высота потенциального барьера pn-перехода обычно больше, чем у барьера Шоттки и точке А соответствует большее напряжение.

При обратном смещении pn-перехода основные носители заряда оттягиваются от pn-перехода, высота потенциального барьера для них повышается (см. рис.), поэтому основные носители заряда не участвуют в создании электрического тока. Ток образуется неосновными носителями, концентрация которых гораздо меньше. Поэтому ток, протекающий при обратном смещении, гораздо меньше тока при прямом смещении.

Обратная ветвь ВАХ pn-перехода полностью аналогична соответствующей характеристике контакта "металл-полупроводник".

Контакт металл-полупроводник. Барьер Шоттки

Рассмотрим контакт металл - полупроводник. В случае контакта возможны различные комбинации (p- и n-типы полупроводника) и соотношения термодинамических работ выхода из металла и полупроводника. В зависимости от этих соотношений в области контакта могут реализоваться три состояния. Первое состояние соответствует условию плоских зон в полупроводнике, в этом случае реализуется нейтральный контакт. Второе состояние соответствует условию обогащения приповерхностной области полупроводника (дырками в p-типе и электронами в n-типе), в этом случае реализуется омический контакт. И, наконец, в третьем состоянии приповерхностная область полупроводника обеднена основными носителями, в этом случае в области контакта со стороны полупроводника формируется область пространственного заряда ионизованных доноров или акцепторов и реализуется блокирующий контакт, или барьер Шоттки [15, 16].

В полупроводниковых приборах наибольшее применение получили блокирующие контакты металл - полупроводник или барьеры Шоттки. Рассмотрим условие возникновения барьера Шоттки. Ранеее было показано, что ток термоэлектронной эмиссии с поверхности любого твердого тела определяется уравнением Ричардсона:

   (2.29)

Для контакта металл - полупроводник n-типа выберем условие, чтобы термодинамическая работа выхода из полупроводника Ф_п/п была меньше чем термодинамическая работа выхода из металла Ф_Ме. В этом случае согласно уравнению (2.29) ток термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника j_п/п будет больше, чем ток термоэлектронной эмиссии с поверхности металла:

При контакте таких материалов в начальный момент времени ток из полупроводника в металл будет превышать обратный ток из металла в полупроводник и в приповерхностных областях полупроводника и металла будут накапливаться объемные заряды - отрицательные в металле и положительные в полупроводнике. В области контакта возникнет электрическое поле, в результате чего произойдет изгиб энергетических зон. Вследствие эффекта поля термодинамическая работа выхода на поверхности полупроводника возрастет. Этот процесс будет проходить до тех пор, пока в области контакта не выравняются токи термоэлектронной эмиссии и соответственно значения термодинамических работ выхода на поверхности.

На рисунке 2.4 показаны зонные диаграммы различных этапов формирования контакта металл - полупроводник. В условиях равновесия в области контакта токи термоэлектронной эмиссии выравнялись, вследствие эффекта поля возник потенциальный барьер, высота которого равна разности термодинамических работ выхода: φ_к = Ф_Ме - Ф_п/п.

Для контакта металл - полупроводник p-типа выберем условие, чтобы термодинамическая работа выхода из полупроводника Ф_п/п была больше, чем термодинамическая работа выхода из металла Ф_Ме. В этом случае ток термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника j_п/п будет меньше, чем ток термоэлектронной эмиссии с поверхности металла согласно уравнению (2.29).

При контакте таких материалов в начальный момент времени ток из металла в полупроводник p-типа будет превышать обратный ток из полупроводника в металла, и в приповерхностных областях полупроводника и металла будут накапливаться объемные заряды - положительные в металле и отрицательные в полупроводнике.

Рис. 2.4. Зонная диаграмма, иллюстрирующая образование барьера Шоттки

В дальнейшем картина перехода к равновесному состоянию и формирования потенциального барьера для контакта металл - полупроводник p-типа аналогична рассмотренной выше для контакта металл - полупроводник n-типа.

Компоненты тока и квазиуровни Ферми в р-n переходе

Рассмотрим токи в электронно-дырочном переходе в равновесном (рис. 2.11) и неравновесном (при наличии внешнего напряжения, рис. 2.12) состоянии.

Рис. 2.11. Зонная диаграмма p-n перехода, иллюстрирующая баланс токов в равновесном состоянии

В равновесном состоянии в p-n переходе существуют четыре компоненты тока - две диффузионные и две дрейфовые. Диффузионные компоненты тока обусловлены основными носителями, дрейфовые - неосновными. В условиях термодинамического равновесия (V_G = 0) суммарный ток в p-n переходе равен нулю, при этом диффузионные и дрейфовые компоненты попарно уравновешивают друг друга:

При неравновесном состоянии если приложено прямое внешнее напряжение, то доминируют диффузионные компоненты, если приложено обратное напряжение, то доминируют дрейфовые компоненты.

Рис. 2.12. Зонная диаграмма p-n перехода, иллюстрирующая дисбаланс токов в неравновесном состоянии:
а) прямое смещение; б) обратное смещение

В неравновесных условиях область пространственного заряда p-n перехода описывается двумя квазиуровнями Ферми - отдельно квазиуровнем Ферми для электронов F_n и отдельно для дырок F_p. При приложении внешнего напряжения расщепление квазиуровней Ферми F_n и F_p равно приложенному напряжению V_G [4, 3]. Пространственно область расщепления квазиуровней находится на расстоянии порядка диффузионной длины от металлургического p-n перехода (рис. 2.13).