Контакт металл - полупроводник и гетеропереходы

3.9. Контакт металл - полупроводник и гетеропереходы

3.9.1. Контакты металл полупроводник

Они используются в полупроводниковой электронике либо в ка­честве омических (невыпрямляющих) контактов с областями полупроводниковых приборов, либо в качестве выпрямляющих контак­тов. Структура и свойства таких контактов зависят от взаимного расположения уровня Ферми в металле и полупроводнике. Мы ос­тановимся кратко на выпрямляющих контактах металла и полупро­водника n-типа.

На рис. 3.30 показана зонная диаграм­ма контакта для случая, когда работа вы­хода полупроводника j_n меньше работы выхода металла j_М, отсчитываемых от уровней Ферми _Fn и _Fm до уровня вакуу­ма. После контакта слоев электроны n-полупроводника из-за меньшей работы вы­хода переходят в металл, поэтому вблизи границы с металлом остаются нескомпен­сированные положительные ионы доно­ров, а границы зоны проводимости и валентной зоны искривляются вверх, как показано на рис. 3.30. При этом в состоянии равновесия уровень Ферми в обоих случаях дол­жен быть одинаковым.

Область искривления зон (ширина перехода) мала и составляет обычно 0,1...0,2 мкм. Качественные переходы металл-полупровод­ник в настоящее время получаются напылением металла на полу­проводник в вакууме.

Потенциальный барьер в приконтактном слое, равный разности работ выхода металла и полупроводника (j_к = j_М – j_n на рис. 3.30), называют барьером Шотки, а диоды, использующие эти барьеры, – диодами Шотки или диодами с барьером Шотки (ДБШ).

Если в контакте металла с n-полупроводником внешнее на­пряжение приложено плюсом к металлу, а минусом к полупровод­нику, то высота потенциального барьера понижается, приконтактный слой обогащается основными носителями (электронами) и его сопротивление уменьшается. Это напряжение является для перехода прямым.

Важной особенностью барьеров Шотки по сравнению с р-n-переходом является отсутствие инжекции неосновных носителей. Эти переходы «работают» на основных носителях, поэтому у них отсут­ствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасы­ванием неосновных носителей, и выше быстродействие.

Рекомендуемые материалы

Особенностью переходов с барьером Шотки является то, что их ВАХ ближе всего к экспоненциальной ВАХ идеализированного р-n-перехода, а прямое напряжение значительно меньше (примерно на 0,2 В), чем в р-n-переходах.

3.9.2. Гетеропереходы

В отличие от р-n-перехода, образованного изменением кон­центрации примеси в одном полупроводниковом материале (гомопереход) гетеропереходом называют переход, образо­ванный полупроводниками различной физико-химической при­роды, т.е. полупроводниками с различной шириной запрещен­ной зоны. Примерами гетеропереходов могут быть переходы германий – кремний, германий – арсенид галлия, арсенид гал­лия – фосфид галлия и др.

Для получения гетеропереходов с минимальным числом де­фектов на границе раздела кристаллическая решетка одного по­лупроводника должна с минимальными нарушениями переходить в кристаллическую решетку другого. В связи с этим полупроводники, используемые для создания гетеропереходов, должны иметь идентичные кристаллические структуры и близкие значе­ния постоянной решетки. Гетеропереходы, образованные полу­проводниками с различной шириной запрещенной зоны, возмож­ны не только как переходы между полупроводниками р- и n-типа, но также и между полупроводниками с одним типом электропро­водности: р⁺-р или п⁺-п.

Рассмотрим энергетическую (зонную) диаграмму гетероперехода между полупроводником n-типа с широкой запрещенной зоной и полупроводником р-типа с узкой запрещенной зоной (рис. 3.31). На рис. 3.31,а показаны энергетические диаграммы исходных полу­проводников. За начало отсчета энергии (нуль) принята энергия электрона, находящегося в вакууме. Величины А₁ и A₂ обозначают термодинамические работы выхода электрона (от уровня Ферми), a  и  – истинные работы выхода из полупроводника в вакуум, на­зываемые электронным сродством полупроводников (от границы зоны проводимости).

Обратите внимание на лекцию "4 Схема электропитания установки высокого напряжения".

При создании контакта между двумя полупроводниками уровни Ферми совмещаются (выравниваются). Это должно (в отличие от энергетической диаграммы гомоперехода) привести к появлению разрывов в зоне проводимости и в валентной зоне , как пока­зано на рис. 3.31,б. В зоне проводимости величина разрыва обу­словлена разностью истинных работ выхода электронов из р- и n-полупроводников:

                                                                                                                  (3.64)

а в валентной зоне кроме этого – еще и неравенством значений энергии . Поэтому потенциальные барьеры для электронов и ды­рок будут различными: потенциальный барьер для электронов в зо­не проводимости меньше, чем для дырок в валентной зоне.

При подаче прямого напряжения потенциальный барьер для электронов уменьшится и электроны из n-полупроводника инжек­тируются в р-полупроводник. Потенциальный барьер для дырок в р-области также уменьшится, но все же остается достаточно большим, так что инжекция дырок из р-области в n-область прак­тически отсутствует.

В гомопереходах отношение токов инжекции дырок и электронов можно изменить, только делая различными концентрации основных носителей в областях, т.е. различными концентрации примесей. Ес­ли концентрация акцепторов в р-области много больше концентра­ции доноров в n-области (N_а>>N_д), то и ток инжекции дырок I_р будет много больше тока инжекции электронов I_n (I_p>>I_n). Во многих при­борах, использующих р-n-переходы, например в биполярных тран­зисторах, требуется сильная асимметрия токов. Однако увеличению концентрации примесей (в нашем случае акцепторов) есть технологический предел, связанный с наличием предельной концентрации примесей, которую можно ввести в полупроводник («предельная растворимость»). Кроме того, с увеличением концентрации приме­сей одновременно появляется большое число дефектов, ухудшаю­щих параметры р-n-перехода.

Гетеропереходы позволяют исключить эти недостатки гомопе­рехода и получить практически одностороннюю инжекцию носите­лей заряда даже при одинаковых концентрациях примесей в облас­тях. Однако серьезной проблемой на пути реализации преимуществ гетеропереходов является наличие технологических трудностей со­здания бездефектной границы в гетеропереходах. О конкретных применениях и особенностях гетеропереходов будет сказано в соот­ветствующих разделах.