Контакт между металлом и полупроводником
Контакт между металлом и полупроводником может быть омическим и выпрямляющим. Свойства контакта металла с полупроводником зависят от работы выхода электронов из металла в вакуум (Wвых_мет ) и из полупроводника в вакуум (Wвых_пп). Пример энергетической диаграммы металла и , когда между ними нет контакта, приведен на рисунке 1.
Рисунок 1. Энергетические зоны металла и полупроводника
При возникновении контакта между этими материалами электроны переходят из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода. При контакте металла с электронным полупроводником при выполнении условия электроны переходят из полупроводника в металл. В качестве примера может служить контакт золота Au и арсенида галлия GaAs. Данная ситуация иллюстрируется энергетической диаграммой, приведенной на рисунке 2.
Рисунок 2. Энергетические диаграммы в зоне выпрямляющего контакта металла и
Пример энергетической диаграммы металла и , когда между ними нет контакта, приведен на рисунке 3.
Рисунок 3. Энергетические зоны металла и полупроводника
Если в электронном приборе реализован контакт металла с дырочным полупроводником и выполняется условие , будет происходить переход электронов в полупроводник.
Рисунок 4. Энергетические диаграммы в зоне выпрямляющего контакта металла и
И в том, и в другом описанном случае произойдет обеднение свободными носителями заряда области полупроводника в районе контакта на расстояние d. Обедненный слой обладает повышенным сопротивлением, которое может изменяться под воздействием внешнего напряжения. Такой контакт имеет нелинейную характеристику и является выпрямляющим. Он получил название контакт Шоттки.
Перенос зарядов в этих контактах осуществляется основными носителями, и в них отсутствуют явления инжекции, накопления и рассасывания зарядов. В результате выпрямляющие контакты металл-полупроводник обладают малой инерцией и применяются для создания диодов Шоттки, обладающих высоким быстродействием и малым временем переключения из открытого состояния в закрытое и наоборот.
Если при контакте металла с полупроводником выполняются условия или , то слой полупроводника возле контакта обогащается основными носителями заряда и его сопротивление будет мало при любой полярности внешнего напряжения. Такой контакт имеет практически линейную характеристику. Его называют омическим контактом и используют для подключения выводов электронных приборов к токопроводящим линиям на поверхности полупроводникового кристалла. Энергетические диаграммы подобных контактов приведены на рисунках 5 и 6.
Рисунок 5. Энергетические диаграммы в зоне омического контакта металла и
Рисунок 6. Энергетические диаграммы в зоне омического контакта металла и
Дата последнего обновления файла 28.09.2020
Понравился материал? Поделись с друзьями!
- Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н. Д. — М.: Радио и связь, 1998. — 560 с.
- Электронные приборы. Под редакцией Шишкина Г.Г. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 496 с.
- Батушев В. А. Электронные приборы. — М.: Высшая школа, 1980. — 383 с.
- Савиных В. Л. Физические основы электроники. Учебное пособие. — Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. — 77 с.
- Леонов В.П. Введение в физику и технологию элементной базы ЭВМ и компьютеров: Учебное пособие. — Томск: Изд-во НТЛ, 2008. — 264 с.
- Глазачев А. В. Петрович В. П. Физические основы электроники. Конспект лекций — Томск: Томский политехнический университет, 2015. — 224 с.
- Контакты металл–полупроводник: физика и модели. — Томск: Издательский Дом Томского государственного университета, 2016. — 528 с.
Вместе со статьей «Контакт между металлом и полупроводником» читают:
Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 . 2021
Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин
Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).
А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре «Сигнал», Научно производственной фирме «Булат». В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.
Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи «Сигнал-201», авиационной системы передачи данных «Орлан-СТД», отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.
Источник
Тема: Контакт металл – полупроводник
Лекция № 8.
Содержание:
1. Особенности контакта металл-полупроводник. Запорный и омический контакты.
2. Запорный слой и его свойства.
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 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).
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.
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.
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.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник
Невыпрямляющие (омические) контакты металл-полупроводник
С помощью омических невыпрямляющих контактов происходит электрическое соединение полупроводников с металлическими проводниками. От качества этих контактов в значительной степени зависят параметры и характеристики приборов, а также их надежность и срок службы. Основные требования комическим контактам: 1) при прямом смещении они должны обеспечивать инжекцию основных носителей в полупроводник; 2) при обратном смещении препятствовать инжекции неосновных носителей в полупроводник; 3) иметь минимальное электрическое сопротивление; 4) иметь линейную вольт-амперную характеристику (ВАХ).
Эти условия выполняются при правильном подборе пары металл – полупроводник. Зонная диаграмма контакта металл — полупроводник n-типа приведена на рис. 6. Для этой пары должно выполняться соотношение Рм
Большая концентрация электронов в области контакта обеспечивает его высокую проводимость при любой полярности внешнего смещения. Потенциальный барьер j = qy препятствует инжекции неосновных носителей – дырок.Зонная диаграмма полупроводника n — типа с двумя омическими контактами при внешнем смещении приведена на рис.7. Проводимость металлов на несколько порядков больше проводимости полупроводников, поэтому практически все напряжение U будет приложено к полупроводнику n — типа, потенциал вдоль него изменяется линейно, также изменяется энергия электронов, и уровень Ферми имеет наклон. Левый омический контакт оказывается прямосмещенным, его толщина dпр становится меньше dn, и через небольшой горбик электроны из металла инжектируются в полупроводник n-типа, затем они скатываются вниз по наклону дна зоны проводимости, достигают обогащенной электронами зоны правого обратносмещенного контакта и через металлургическую границу попадают (стекают) в правый металлический контакт, откуда уходят во внешнюю цепь. Дырки из правого контакта не могут преодолеть потенциальный барьер и инжектироваться в полупроводник. Неосновные носители практически не участвуют в проводимости полупроводника.
Зонная диаграмма контакта металл – полупроводник р-типа в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис.8. Для этой пары должно соблюдаться условие Рм >Рр, тогда при установлении термодинамического равновесия Eк направлено из полупроводника в металл, вблизи металлургической границы возникает обогащенная дырками область, а неосновные носители – электроны находятся в потенциальной яме глубиной j = qy и не могут инжектироваться в металл.
 |
Вольтамперная характеристика омического контакта металл-полупроводник приведена на рис.9. Характеристика является линейной, небольшие нелинейности возникают при больших прямых и обратных напряжениях.
Изготовление омических контактов связано с большими трудностями. Концентрация дефектов и примесей на поверхности полупроводников существенно выше, чем в глубине монокристалла. На поверхности образуются обедненные основными носителями области и слои с инверсным типом проводимости, что существенно ухудшает свойства омических контактов. Для устранения этих недостатков создаются омические М–n + –n или М–р + –р контакты. Зонная диаграмма контакта М–n + –n в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис.10. В связи с тем что металл контактирует с вырожденным полупроводником n + -типа, поверхностные дефекты не оказывают существенного влияния на качество контакта, а граница раздела вырожденный полупроводник n+ – низколегированный полупроводник n-типа находится в глубине монокристалла, где концентрация примесей и дефектов меньше, чем на поверхности. Аналогично изготавливают контакт М–р + –р.
Источник
