Свойства контакта металла с полупроводниками

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!

  1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н. Д. — М.: Радио и связь, 1998. — 560 с.
  2. Электронные приборы. Под редакцией Шишкина Г.Г. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 496 с.
  3. Батушев В. А. Электронные приборы. — М.: Высшая школа, 1980. — 383 с.
  4. Савиных В. Л. Физические основы электроники. Учебное пособие. — Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. — 77 с.
  5. Леонов В.П. Введение в физику и технологию элементной базы ЭВМ и компьютеров: Учебное пособие. — Томск: Изд-во НТЛ, 2008. — 264 с.
  6. Глазачев А. В. Петрович В. П. Физические основы электроники. Конспект лекций — Томск: Томский политехнический университет, 2015. — 224 с.
  7. 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.

Читайте также:  Что называется старением металла какие виды старения вы знаете

Источник

Контакт металла с полупроводником

Рассмотрим теперь явления, возникающие при контакте полупроводника с металлом, на примере полупроводника донорного типа (n-полупроводника). На рис. 4.6 показано, как меняется положение энергетических уровней в полупроводнике и металле в случае приведения 133

их в близкий контакт. Равновесный уровень химического потенциала для металла обозначим через //”, а для полупроводника — через /л°. Термодинамическую работу выхода электронов из металла будем обозначать через / , а из полупроводника — через %.

Достижение равновесия между металлом и полупроводником, так же как и в случае двух металлов, происходит за счет взаимного обмена электронами. Так как уровень Ферми в полупроводнике расположен выше, чем в металле, то поток электронов из полупроводника в металл в начальный момент будет преобладать над потоком электронов в обратном направлении, вследствие чего металл будет заряжаться отрицательно и его уровень Ферми будет перемещаться вверх. В это же время полупроводник будет заряжаться положительно и его уровень Ферми будет опускаться. Смещение уровней будет происходить до тех пор, пока оба уровня не установятся на одной высоте. После этого наступит равновесие, характеризующееся тем, что потоки электронов из полупроводника и обратно станут одинаковыми. Между поверхностью металла и полупроводника возникнет контактная разность потенциалов Vk и связанный с ней дополнительный потенциальный барьер для электронов, идущих из полупроводника. Высота контактного потенциального барьера будет определяться, как и в случае контакта двух проводников, разницей термодинамических работ выхода:

21 м’ 3 . Такая концентрация примеси возникает в полупроводнике, если к основному веществу добавлено примерно 10 5 % примесных атомов (в одном кубическом метре кристаллического вещества находится около 10

8 атомов). Если допустить, что между поверхностью полупроводника и металла на расстоянии d = 1 мкм возникает потенциальный барьер, величина которого равняется о = 1 эВ, то для созда-

ния такого потенциального барьера необходимо п = — ! — L — =———— «5-Ю электро-

нов. В одноатомном слое полупроводника при указанной концентрации примеси содержится примерно ns — 10 і 1 электронов. Таким образом, для обеспечения контактной раз

ности потенциалов 1 В при расстоянии между поверхностями 1 мкм необходимо, чтобы из одноатомного слоя полупроводника ушла половина электронов. В этом случае контактное поле полупроводника будет сосредоточено на его поверхности, не проникая внутрь. Этот случай показан на рис. 4.6.

Если контакт полупроводник — металл сделать более тесным, то толщина слоя объемного заряда, возникающего в полупроводнике, станет более протяженной. Давайте попытаемся оценить концентрацию электронов, переход которых из полупроводника в металл обеспечит ту же самую разность потенциалов Vk = 1 В между поверхностями, если их сблизить на расстояние d = 1 нм. Для обеспечения такой разности потенциалов в этом случае нсобхо-

Это количество электронов можно получить, удалив все примесные электроны из 500 атомных слоев полупроводника. После ухода электронов в поверхностном слое полупроводника значительной толщины возникнет неподвижный положительный заряд ионизованных доноров. Этот слой называют запорным слоем. Протяженность запорного слоя в рассмотренном случае будет составлять примерно 0,5-500 = 250 нм = 0,25 мкм. В этом слое и будет сосредоточено контактное поле, вызванное контактной разностью потенциалов

Источник

Контакты полупроводник—металл

Структура и свойства контактов металл-полупроводник зависят в первую очередь от взаимного расположения уровней Ферми в том и другом слое.

На рис. 3.5 вверху показаны зонные диаграммы разделенных слоев, а внизу — зонные диаграммы соответствующих контактов (после «соприкосновения» слоев и установления равновесия).

Рис.3.5. Зонные диаграммы выпрямляющих контактов металла с полупроводником: а – контакт с полупроводником р-типа; б — контакт с полупроводником n- типа

Выпрямляющие контакты. На рис. 3.5.а показаны зонные диаграммы для случая, когда φFmFp. Такое соотношение означает, что заполненность зоны проводимости в полупроводнике меньше, чем заполненность такого же энергетического участка в металле. Поэтому после «соприкосновения» слоев часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа. Появление дополнительных электронов в приповерхностном слое полупроводника приводит к усиленной рекомбинации. В результате уменьшается количество основных носителей — дырок, и вблизи границы с металлом «обнажаются» некомпенсированные отрицательные ионы акцепторов. Появляется электрическое поле, которое препятствует дальнейшему притоку электронов и обеспечивает больцмановское равновесие в области контакта. Энергетические уровни оказываются искривленными «вниз».

Читайте также:  Почему благородные металлы не окисляются

На рис. 3.5,б показаны зонные диаграммы для случая φFm φS (т.е. φMS >0), то электроны переходят из полупроводника в металл (рис. 3.5,б).

Степень искривления энергетических зон вблизи поверхности (рис. 3.5) характеризуется величиной равновесного поверхностного потенциала φS. Если пренебречь ролью поверхностных состояний, то величина φS будет равна контактной разности потенциалов φMS.

Оба контакта, показанные на рис. 3.5, характерны наличием обедненных слоев в приконтактном слое полупроводника. Здесь концентрация основных носителей меньше по сравнению с равновесной, сохранившейся вдали от контакта. Следовательно, такой приконтактный слой обладает повышенным удельным сопротивлением и поэтому определяет сопротивление всей системы.

Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шоттки. Его высота φS является аналогом величины в Δφ р-n-переходе.

В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения потенциал φS и соответственно сопротивление приконтактного слоя будут меняться.

Так, если напряжение приложено плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, то потенциальный барьер в контакте на рис 3.5, а повышается. Тогда приконтактный слой еще больше обедняется основными носителями — дырками и, следовательно, будет иметь повышенное сопротивление по сравнению с равновесным. Значит, напряжение с этой полярностью является для данного контакта обратным. В контакте на рис. 3.5,б при той же полярности напряжения потенциальный барьер понижается, приконтактный слой обогащается основными носителями — электронами и его сопротивление будет меньше равновесного. Значит, напряжение с этой полярностью является для данного контакта прямым.

Таким образом, контакты, показанные на рис. 3.5, обладают выпрямляющими свойствами.

Зонная диаграмма контакта, содержащего инверсионный р-слой, показана на рис. 3.6.

Этот случай характерен для сильного искривления зон, т.е. для больших контактных разностей потенциалов φMS, когда вблизи границы уровень электростатического потенциала пересекает уровень Ферми. Толщина инверсионного

слоя не превышает 1-2 нм. Невыпрямляющие контакты. Пусть для контакта металла с полупроводником p-типа имеет место неравенство φMS > 0, а для контакта с полупроводником n-типа — неравенство φMS

Дата добавления: 2015-10-13 ; просмотров: 3276 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Контакты металла с полупроводником

Структура и свойства контактов металла с полупроводником зависят, в первую очередь, от взаимного расположения уровней Ферми в них. Вследствие притяжения положительными ионами решетки потенциальная энергия электронов в кристалле меньше, чем энергия электронов в вакууме. Поэтому для выхода «наружу» электрону необходимо затратить определенную энергию, т. е. совершить работу.

Считается, что в вакууме потенциальная энергия электрона ф = О (начало отсчета), а в металле ф (pFp (рис. 1.12, а), электроны переходят из металла в полупроводник p-типа. Появление дополнительных электронов в приповерхностном слое полупроводника приводит к усилению рекомбинации. В результате уменьшается количество основных носителей-дырок, и вблизи границы с металлом «образуются» неском- пенсированные ионы (отрицательных) акцепторов. Появляется электрическое поле (ЭП), которое препятствует дальнейшему притоку электронов и обеспечивает больцмановское равновесие в области контакта. Энергетические уровни оказываются искривленными «вниз».

В случае, когда (pFm > cpFn, вблизи границы с металлом образуются нескомпенсированные положительные ионы доноров, и зонные диаграммы искривляются «вверх».

При этом между поверхностью полупроводника и металла образуется ЭП, препятствующее дальнейшему переходу электронов из одного материала в другой. В обоих случаях возникает разность потенциалов UK = (pms/q, при этом работа выхода изменится (в случае б — увеличится) на величину (pms = qUK, определяемую как

Напряженность поля в зазоре определится как

а количество избыточных (или недостающих) на единицу поверхности носителей

Толщина слоя вещества L, в котором происходит перераспределение носителей, при условии, что все поверхностные атомные слои полностью истощаются, можно оценить как

Степень искривления зон вблизи поверхности характеризуется величиной равновесного поверхностного потенциала (ps0. Если пренебречь ролью поверхностных состояний, то величина (ps0 будет равна (pms. Таким образом, в зависимости от соотношения работ выхода Фт и ф5 электроны переходят в тот или иной слой. Оба контакта, показанные на рисунках, имеют обедненные слои в приконтактной области полупроводника и обладают повышенным удельным сопротивлением, определяя сопротивление всей системы, как и в р-п-переходах.

Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шоттки. Его высота фх0 является аналогом величины Дф в р-п- переходе. В зависимости от полярности приложенного напряжения, потенциала фх0 и соответственно фт5, сопротивление приконтактного слоя будет меняться. Если напряжение приложено « + » к металлу, а «—» к полупроводнику, то потенциальный барьер повышается (рис. 1.12, а). Такое напряжение — обратное (запорное). При той же полярности (рис. 1.12, б) — потенциальный барьер понижается — прямое напряжение. Электроны текут из полупроводника в металл, а они здесь основные носители заряда.

Таким образом, оба контакта обладают выпрямительными свойствами и могут быть основой для построения диодов. Приборы, использующие такие контакты, называют диодами Шоттки.

В случае «—» на металле «+» на полупроводнике (рис. 1.12, а) р-типа также потенциальный барьер снижается и электроны из металла текут в полупроводник, а дырки в металл, где они являются неосновными носителями заряда.

Если поменять местами неравенства, поясняющие рис. 1.12, то вместо обедненных получим обогащенные слои, а это означает, что сопротивление системы в целом определяется нейтральным слоем полупроводника и, следовательно, не зависит от величины и полярности приложенного напряжения. Такие невыпрямляющие контакты называют омическими.

Источник

Контакты металл — полупроводник

Рассмотрение контактов металла с полупроводником представляет интерес, поскольку они находят применение в качестве:

  • выпрямляющих контактов в диодах Шоттки;
  • • невыирямляющих, или омических, контактов для подвода и отвода напряжений и токов в ИС и полупроводниковых приборах.

Структура и свойства контактов металл — полупроводник зависят от уровней Ферми металла (1Р) и полупроводников с акцепторными (WF ) и донорными (W^n) примесями. На рис. 2.12 приведены зонные диаграммы выпрямляющих и невыпрямляющих контактов металла с полупроводниками р- и «-типов после их соприкосновения и установления равновесия.

Выпрямляющие контакты.

Рассмотрим процессы в контакте металл — полупроводникр-типа при WfM > WFp (рис. 2.12, а). В этом случае вероятность заполнения одного и того же энергетического уровня W при его расположении в зоне проводимости полупроводника меньше, чем при расположении в металле. Поэтому заполненность зоны проводимости в полупроводнике меньше, чем заполненность такого же энергетического участка в металле, и после соприкосновения металла с полупроводником часть электронов перейдет из металла в полупроводник. Переходящие в приповерхностный слой полупроводника электроны рекомбинируют с дырками. В результате вблизи границы с металлом появляются некомпенсированные отрицательные ионы акцепторов, создавая электрическое ноле, которое препятствует дальнейшему притоку электронов и обеспечивает равновесие в области контакта. После соприкосно-

Рис. 2.12. Зонные диаграммы выпрямляющих (я, б) и невыпрямляющих (в, г) контактов

вения устанавливается единый уровень Ферми поэтому энергетические уровни оказываются искривленными вниз. Степень искривления энергетических зон вблизи поверхности полупроводника характеризуется величиной контактной разности потенциалов Фк = -A W/q, называемой барьером Шоттки.

Приконтактный слой полупроводника обеднен основными носителями (дырками), поэтому обладает повышенным удельным сопротивлением, которое определяет сопротивление всей системы. Такая ситуация характерна для /?-/?-перехода. В зависимости от полярности внешнего напряжения, подаваемого на структуру металл — полупроводник, потенциал срк и, соответственно, сопротивление при- контактного слоя будут меняться. Если на металл подается «+», а на полупроводник — «-», то потенциальный барьер в контакте повышается, приконтактный слой еще больше обедняется основными носителями, сопротивление структуры по сравнению с равновесным ее состоянием увеличивается. Следовательно, напряжение с такой полярностью является обратным. При изменении полярности внешнего напряжения (прямом включении) барьер Шоттки снижается, что приводит к уменьшению сопротивления структуры. Таким образом, контакт металл — полупроводник обладает выпрямительными свойствами и может служить основой для создания диодов, которые называются диодами Шоттки.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector