7.2 Контакт метал -напівпровідник і його випрямляючі властивості. Омічний контакт

Розглянемо контакт металу з роботою виходу електронів Ам і донорного (електронного)  напівпровідника з роботою виходу Ап.

Якщо Ам > Ап то електрони будуть переходити із напівпровідника в метал, поки рівні Фермі не стануть однаковими (рис.7.3). Для одержання КРП порядку одного вольта необхідно, щоб із напівпровідника із одиниці об’єму в метал перейшла приблизно така ж кількість електронів, як і в контакті двох металів ~ 1027 м-3. У сильно легованих домішкових напівпровідниках концентрація  електронів дорівнює приблизно nо = Nd ≈ 1024 м-3. Тому тепер електрони повинні перейти із області напівпровідника товщиною приблизно 1000 міжатомних відстаней, що набагато більше від довжини їх вільного пробігу. У напівпровіднику формується досить широка область, збіднена на основні носії заряду. Тому електропровідність такого контакту набагато менша, ніж об’єму напівпровідника, а тим більше ніж металу. Такий контакт називається випрямляючим, запірним.

Напруженість контактного електричного поля направлена від напівпровідника в метал, а по величині Ек = Vк/d = 1В/(3∙10-10м∙1000)≈ 3×106 В/м набагато менша від напруженості внутрішнього поля кристалу напівпровідника (~108 В/м). Тому в області контакту структура енергетичних зон (ширина забороненої зони, енергія активації домішок і т. д.) напівпровідника не змінюється, а енергетичні рівні зазнають викривлення, в нашому випадку загинаються вверх. Упевнимось у цьому такими міркуваннями. Нехай нам потрібно перемістити електрон через контакт із об’єму напівпровідника в метал. Для цього ми повинні рухати його в напрямку напруженості контактного поля ЕК, яке буде перешкоджати такому рухові. Дійсно, оскільки заряд електрона від’ємній, то на нього діє сила, направлена проти вектора напруженості електричного поля. Отже, ми повинні виконати певну роботу, яка перетворюється в потенціальну енергію електрона. А це й означає загинання енергетичних зон вверх, що і відображено на рис.7.3.

Нехтуючи товщиною контактного шару в металі в одну міжатомну відстань, можемо вважати, що вся контактна область поширюється в напівпровідник. Із формули (7.4), враховуючи, що кількість електронів, які зазнають переходу, дорівнює концентрації донорної домішки   Δn = Nd, знаходимо товщину контактного шару

(7.5)

У рівноважному стані, тобто без зовнішньої напруги, для переходу електронів із напівпровідника в метал потрібно подолати потенціальний бар’єр q×VК, а для протилежного переходу – q×VO. Потоки електронів однакові. Струм через контакт відсутній.

Проаналізуємо поводження контакту при підключенні зовнішньої напруги.

Запираюче (зворотне) ввімкнення контакту буде тоді, коли напруженість Е зовнішнього електричного поля співпадає з напрямком напруженості контактного поля ЕК (рис.7.4), тобто (+) зовнішньої батареї напругою V з’єднаний з напівпровідником, а (–)  з металом. Всі енергетичні рівні напівпровідника опускаються вниз на величину q×V. Висота бар’єру для потоку електронів (основних носіїв) із напівпровідника в метал зростає і стає рівною q×(VK + V). Цей потік значно зменшується. Потік же електронів із металу в напівпровідник не змінюється, оскільки для них висота бар’єру залишається такою ж q×VO.  Зростає також ширина контактної області

(7.6)

Таким чином, зменшення потоку основних носіїв заряду (електронів) і розширення збідненого на вільні носії заряду контактного шару приводить до різкого зменшення електропровідності контакту. Через нього протікає невеликий зворотній струм зумовлений неосновними носіями заряду (дірками), концентрація яких дуже мала(рис.7.5)

(7.7)

іS – струм насичення, який визначається концентрацією основних носіїв заряду. При збільшенні зовнішньої напруги V експонента швидко спадає до нуля і зворотній струм виходить на насичення.

Пряме ввімкнення буде тоді, коли напруженість зовнішнього поля протилежна контактному, тобто напівпровідник з’єднується з (–) зовнішньої батареї, а метал з (+). Тепер всі енергетичні рівні напівпровідника опускаються вниз на величину q×V. Висота потенціального бар’єру для основних носіїв заряду (електронів) із напівпровідника в метал зменшується до величини   q×(VK – V), і прямий струм швидко зростає (див. рис.7.5).

(7.8)

Концентраційного обмеження, як це було при зворотному ввімкненні, немає. Крім того зменшується ширина високоомної контактної області

(7.9)

що також приводить до зростання електропровідності.

Таким чином розглянутий контакт має властивість односторонньої електропровідності, тобто має випрямляючі властивості: пропускати струм в одному напрямку і практично не пропускати в зворотному. Ця властивість характеризується коефіцієнтом випрямлення – це відношення прямого струму до зворотного при однаковій зовнішній напрузі. Для контактів метал-напівпровідник, або ще їх називають діодами Шотткі, цей коефіцієнт не дуже великий, порівнюючи з р-п-переходами і лежить в межах    104  ÷ 105. Але вони мають досить малий час перемикання з прямого ввімкнення на зворотне, порядку      10-10 ÷ 10-11 сек, що дає можливість використовувати їх у швидкодіючих ЕОМ.

Для виготовлення електричних контактів до напівпровідникових приладів необхідно формувати невипрямляючі, або омічні контакти, які б не спотворювали роботу цих приладів. Такі контакти формуються з такими металами, коли відбувається збагачення приконтактної області напівпровідника основними носіями заряду. Як правило використовується той же метал, яким легований напівпровідник. Наприклад, р-Ge – In, n-Ge – Sb, n-Si – Ni, і т.д. В противному разі утворюються випрямляючі контакти, розглянуті вище.

 

 

You must be logged in to post a comment.

Фізика