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.

м

н-п

 

 

 

і   Г і 1 ^48 і

 

м

—1+ + + + 1 -)* + +*+ 1

Н-П |

Нульовий  рівень енергії

 

 

Рисунок 7.3

Е,

Ед.

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 до-мішкових напівпровідниках концентрація електронів дорівнює при­близно По = На ~ 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 Ец = Уц/а = 1В/(3-10"10м-1000);;; 3-Ю6 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 Ап = N,3, знаходимо товщину контактного шару

У рівноважному стані, тобто без зовнішньої напруги, для переходу електронів із напівпровідника в метал потрібно подолати потенціаль-ний бар'єр я*Ук, а для протилежного переходу - цУо. Потоки елект­ронів однакові. Струм через контакт відсутній.

Е Проаналізуємо поводження

контакту при підключенні зовнішньої напруги.

Запираюче  (зворотне) ввімк­нення контакту буде тоді, коли на­пруженість Е зовнішнього електрично-I'- .,Ї~І^ ->ЧН Г\    то поля співпадає з напрямком на-

'Ря   пруженості    контактного    поля Ек (рис.7.4), тобто (+) зовнішньої батареї напругою   V   з'єднаний   з напів­провідником, а (-)    з металом. Всі Рисунок 14 енергетичні    рівні напівпровідника

опускаються вниз на величину ц*У. Висота бар'єру для потоку електронів (основних носіїв) із напівпрові­дника в метал зростає і стає рівною я(Ук + V). Цей потік значно зме­ншується. Потік же електронів із металу в напівпровідник не зміню­ється, оскільки для них висота бар'єру залишається такою ж цУо. Зростає також ширина контактної області

м

= !++++!

='++ + + н-п ='++ + +!

 

чч

 

ЧЧ ЧУ

ЧУ

 

 

 

аЕ£

<*зв = .

2.є-є0-(Ук+У)

(7.6)

 

Рисунок 7.5

V ч-^

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)

Ьв =ій е кТ -1 • (7-7)

ц - струм насичення, який визначається концентрацією основ­них носіїв заряду. При збільшенні зовнішньої напруги V експо-нента швидко спадає до нуля і зворотній струм виходить на насичен­ня.

Ек Е» Пряме ввімкнення буде тоді, коли

■-=и + +1 і        напруженість      зовнішнього поля

+  м =! І ї І і  н"п протилежна      контактному, тобто

напівпровідник з'єднується з (-) зовнішньої батареї, а метал з (+). Тепер всі енергетичні рівні напівпровідника опускаються вниз на величину я-У. Висота потенціального бар'єру для основних носіїв заряду (електронів) із напівпровідника в метал зменшується до величини я (Ук - V), і прямий струм швидко зростає (див. рис.7.5).

Рисунок 7. б

ах

ект -і

(7.8)

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

2 є е0 (Ук-У)

(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 10* -з- 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-Єе - Іп, п-Се - ЭЬ, п-Бі - №, і т.д. В противному разі утворю­ються випрямляючі контакти, розглянуті вище.