Переход металла в полупроводниках

Обновлено: 04.10.2024

В современных полупроводнико­вых приборах кроме электронно-дырочных переходов применяют так­же контакт между металлом и полу­проводником.

Процессы в таких переходах за­висят от работы выхода электронов, т.е. от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов может выйти из данного тела. В различных металлополупроводниковых переходах может возни­кать как выпрямляющий, так и невы­прямляющий переход.

Невыпрямляющий (омический) переход

Если в контакте металла с полупроводником n-типа (рис. 8) работа выхо­да электронов из металла Ам меньше, чем работа выхода из полупроводника Аn, то будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник.

В слое полупроводника около границы накапливаются основные носители (электроны), и этот слой становится обогащенным, т.е. в нем увеличивается концентрация электронов. Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения.

Такой переход не обладает выпрямляющим свойством. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом.

Рис. 8. Омический переход

Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником p-типа (рис. 8), если работа выхода электронов из полупро­водника меньше, чем работа выхода из металла (АрАм). В этом случае из по­лупроводника в металл уходит больше электронов, чем в обратном направле­нии. В приграничном слое полупроводника также образуется область, обога­щенная основными носителями (дырками), имеющая малое сопротивление.

Оба типа невыпрямляющих контактов широко используются в полупро­водниковых приборах при устройстве выводов от n- и p-областей. Для этой це­ли подбираются соответствующие металлы.

Выпрямляющий переход

Рассмотрим контакт полупроводника n-типа с металлом, когда Ам>Аn, (рис. 9,а). Электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл, и в приграничном слое полупроводника образуется область, обеднен­ная основными носителями и имеющая большое сопротивление. Кроме того, переход электронов приводит к появлению контактной разности потенциалов.

Если к переходу подключить внешнее напряжение, причем "минус" к по­лупроводнику, а "плюс" к металлу, то внешнее электрическое поле компенси­рует внутреннее. Потенциальный барьер уменьшается, а ток основных носите­лей (электронов) из n-области увеличивается - переход открыт. При смене по­лярности ("минус" к металлу, "плюс" к полупроводнику) внешнее электрическое поле суммируется с внутренним, потенциальный барьер увеличивается, и переход не пропускает ток - закрыт.

Таким образом, переход между металлом и полупроводником обладает вентильными свойствами. Его называют барьером Шоттки.

Аналогичные процессы имеют место при контакте металла с полупровод­ником p-типа, когда АмАр. Значительно большее количество электронов бу­дет переходить из металла в полупроводник. Их рекомбинация с дырками в по­лупроводнике приведет к уменьшению концентрации носителей в пригранич­ном слое - создается обедненный слой и контактная разность потенциалов (рис. 9,б).

Рис. 9. Выпрямляющий переход

Подключение внешнего напряжения плюсом к полупроводнику, а мину­сом к металлу снижает потенциальный барьер. Через переход течет ток, обу­словленный переходом электронов из металла в полупроводник - переход от­крыт.

Обратное включение увеличивает потенциальный барьер. Через переход будут течь лишь неосновные носители полупроводника p-типа - электроны. Так как их концентрация мала, то ток через переход практически не течет - пе­реход закрыт.

Выпрямляющий переход металл-полупроводник тоже используется для создания приборов с односторонней проводимостью, как и n-p-переход.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода.

Полупроводниковые диоды классифицируются:

- по материалу (Ge, Si, GaAs и т.д.);

- по технологии (точечные, сплавные, диффузионные);

- по конструкции (точечные, плоскостные, планарные);

- по функциональному назначению (выпрямительные, универсальные, стабилитроны, туннельные и т.д.).

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. В них используется основное свойство p-n-перехода: пропускать с малым сопротивлением ток в одном направлении и практически не пропускать в дру­гом.

На рис. 10 изображена вольт-амперная характеристика (ВАХ) кремниевого диода, которую можно представить в виде двух частей:

- прямая - при прямом включении p-n-перехода;

- обратная — при обратном включении p-n-перехода.

В схеме обозначения диода анод (А) соответствует электроду, присоеди­ненному к р-области, а катод (К)-к n-области.

Рис. 10. Вольт-амперная характеристика диода

Прямая ветвь обусловлена диффузионным током основных носителей. На начальной стадии (U<1B) ток нарастает медленно, что обусловлено наличием потенциального барьера (контактной разности потенциалов), препятствующего движению основных носителей. На этом участке вольт-амперная характеристи­ка нелинейная. По мере преодоления внешним полем внутреннего (U> ≈1В) потенциальный барьер исчезает и остается лишь сопротивление р- и n-областей, которое можно приближенно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становится практически линейной при резком нараста­нии тока.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро на­растает. Это вызвано тем, что уже при небольшом увеличении обратного на­пряжения повышается потенциальный барьер и резко уменьшается диффузи­онный ток. Следовательно, полный ток Iпepex.oбр=Iдр-Iдиф, резко увеличивает­ся.

Дальнейшее увеличение обратного напряжения не приводит к росту тока, т.к. его величина определяется числом неосновных носителей, концентрация которых низка. При некотором значении обратного напряжения (Uобр.max, рис. 10) ток начинает резко возрастать. Это возникает при напряженности поля около 10 7 В/м. Неосновные носители при таком поле разгоняются на длине свобод­ного пробега до энергии, достаточной для ионизации атомов. Концентрация носителей лавинно нарастает в толщине перехода.

Процесс лавинного размножения носителей за счет ударной ионизации атомов называется лавинным пробоем (электрическим). К этому следует добавить, что концентрация носителей до­полнительно увеличивается за счет вырывания электронов из атомов сильным электриче­ским полем.

Лавинный пробой обра­тим, т.е. при снятии напряже­ния свойства p-n-перехода восстанавливаются.

При дальнейшем увели­чении напряжения наступает тепловой пробой. Плотность обратного тока в этом режиме достигает такой величины, что переход начинает разо­греваться. Это приводит к появлению дополнительных электронно-дырочных пар в переходе, что в свою очередь еще больше увеличивает плотность тока.

Процесс разрушения p-n-перехода вследствие его перегрева обратным током называется тепловым пробоем.

Основные параметры выпрямительных диодов:

- Iпр.ср – средний прямой ток;

- Uобр.мах – максимально допустимое обратное напряжение;

- Iобр – величина обратного тока при заданном обратном наряжении;

- Uпр – величина прямого напряжения при заданном прямом токе Iпр;

Биполярный транзистор

Транзистор представляет собой двухпереходный прибор. Переходы образуются на границах тех трех слоев, из которых состоит транзистор. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы
p-n-p и n-p-n со взаимно противоположными рабочими полярностями. Контакты с внешними электродами — омические (рис. 11).

Рис. 11. Структуры и условные обозначения

p-n-p (a, б) и n-p-n (в, г) биполярных транзисторов

Переход, работающий в прямом направлении, называется эмиттерным, а соответствующий крайний слой — эмиттером. Средний слой называется базой. Второй переход, нормально смещенный в обратном направлении, называется коллекторным, а соответствующий крайний слой — коллектором.

Как элемент электрической цепи, транзистор обычно используют таким образом, что один из его электродов является входным, а другой — выходным. Третий электрод является общим относительно входа и выхода. В цепь входного электрода включают источник входного пере­менного сигнала, а в цепь выходного — сопротивление нагрузки. В зависимости от того, какой электрод являет­ся общим, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) (рис. 12).

Рис. 1 2. Схемы включения биполярного транзистора:

а - с общей базой, б - общим эмиттером, в - общим коллектором

Основные процессы, протекающие в биполярном транзисторе, рассмотрим на примере транзистора, типа р-п-р, включенного по схеме с общей базой (рис. 13).

Рис. 13.Транзистор типа р-п-р, включенный по схеме с ОБ

При отсутствии внешних напряжений (Uэб=Uкб=0) поля р-n-переходов создаются лишь объемными зарядами ионов и установившиеся потен­циальные барьеры обоих пере­ходов поддерживают динами­ческое равновесие, а токи через переходы равны нулю. При на­личии источников смещения Eэ, и Екуказанной полярности (нормальное включение) соз­даются условия для инжекти­рования дырок из эмиттера в базу и перемещения электронов из базы в эмиттер. Поскольку концентрация электронов в базе во много раз меньше концентрации дырок в слое эмиттера, то встречный поток электронов значительно меньше. Поэтому при встречном перемещении дырок и электронов произойдет их частичная рекомбинация, а избыток дырок внедряется в слой базы, образуя ток эмиттера Iэ.

В результате инжекции дырок в базу, где они являют­ся неосновными носителями, в последней возникает градиент (перепад) концентрации дырок, что приводит к их диффузионному перемещению во всех направле­ниях, в том числе и к коллекторному р-n-переходу. Дрейф (перемещение носителей под воздействием электри­ческого поля) неосновных носителей к коллектору играет второстепенную роль. При перемещении через базу концентрация неосновных носителей заряда уменьшается за счет рекомбинации с электронами, поступающими в ба­зовую цепь от источника Eэ. Поток этих электронов образу­ет базовый ток Iб. Так как толщина базы wб современных транзисторов составляет единицы микрон, то большая часть дырок достигает коллекторного р-n-перехода и захватывается его полем, рекомбинируя с электронами, поступающими от источника питания Ек. При этом в кол­лекторной цепи проходит ток Iк, замыкая общую цепь тока. Таким образом, для токов транзистора справедли­во соотношение Iэ = Iб + Iк.

При любом варианте включения транзистора имеется две входные величины (ток и напряжение) и две выходные. Взаимозависимость этих четырех величин можно выразить двадцатью четырьмя семействами характеристик, но наиболее широкое распространение получила система:

Первое уравнение — это семейство входных характеристик, второе — выходных. На рис. 14 представлены идеальные семейства входных и выходных характеристик транзистора. На входных характеристиках (рис. 14, а) кривая при Uкб=0 является обычной прямой ветвью диодной ВАХ. При значениях Uбк>0 кривые сдвигаются влево и вверх в связи с нарастанием собираемого компонента эмиттерного тока.

Рис. 14. Идеальные статические характеристики транзистора:
а — входные; б — выходные

Коэффициент при токе Iб называется коэффициентом передачи базового тока. Довольно часто его называют также просто коэффициентом усиления транзистора. Обычно β>>1. Ток — нулевой ток коллектора в схеме, т. е. ток при оборванной базе. Следует отметить, что режим работы транзистора с оборванной базой очень опасен из-за возможности пробоя, поэтому непосредственно ток не измеряют. Минимально возможный ток коллектора будет получаться при отрицательном токе базы.

Переход металл-полупроводник

Эффект Шоттки, полученный на основе контактаметалл-полупроводник, заключается в различной величине работы выхода электронов из металла и полупроводника различной проводимости Могут использоваться различные структуры переходов металл-полупроводник с разной работой выхода электронов: Ам - работа выхода электронов из металла; АП - работа выхода электронов из полупроводника.

Если Ам < АП переход типа Ме –п не обладает выпрямляющими свойствами, так как при таких условиях будет преобладать выход электронов из металла и при любой полярности напряжения на переходе сопротивление слоя полупроводника будет малым, поскольку этот слой обогащен основными носителями. Такой контакт (невыпрямляющий) используется во всех полупроводниковых приборах в месте соединения области с внешним выводом и его называют омическим.

Если АП < Ам переход типа Ме- р также не обладает выпрямляющими свойствами, так как из полупроводника в металл выходит гораздо большее количество электронов, чем в обратном направлении, и в приграничном слое образуется область, обогащенная основными носителями-дырками, которая

имеет низкое сопротивление независимо от полярности напряжения внешнего источника.

Очевидно, что в двух других случаях ( АП < Ам и переход типа Ме- п , а также Ам < Ап и переход типа Ме- р) в приграничном слое полупроводника будет создаваться обедненный основными носителями слой. Этот слой будет иметь большое сопротивление и в зависимости от полярности приложенного напряжения будет меняться высота потенциального барьера, поэтому такой переход обладает выпрямляющими свойствами.

Особенности перехода Шоттки:

1. На переходе таких приборов создается значительно меньшее падение напряжения (0,1-0,2 В), чем на электронно-дырочном переходе (рис. 1.5): при прохождении даже небольшого начального тока через контакт с большим сопротивлением на нем выделяется тепловая энергия, способствующая появлению дополнительных носителей.

2. Отсутствие инжекции неосновных носителей заряда.

3. Переходы работают только на основных носителях, следовательно, в приборах, изготовленных на основе эффекта Шоттки, практически отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасыванием носителей.

Рис. 2.4. ВАХ диода Шоттки (ДШ) и обычного диода

4. Отсутствие диффузионной емкости существенно повышает быстродействие приборов, поэтому диоды, выполненные на основе такого контакта, обладают значительно лучшими переключающими свойствами, чем диоды на основе контакта полупроводник-полупроводник.

Динамическое равновесие p-n-перехода. Образование электронно-дырочного перехода вблизи границы, разделяющей области полупроводника с различным типом электропроводности, обусловлено следующими явлениями. Диффузия основных носителей p- и n-областей в противоположную область приводит к возникновению вблизи границы объемных электрических зарядов – положительного в n-области и отрицательного в p-области, как показано на рис. 3.1, а. Эти заряды обусловлены появлением нескомпенсированных ионизированных атомов донорной примеси (положительные неподвижные заряды) в n-области и нескомпенсированных ионизированных атомов акцепторной примеси (отрицательные неподвижные заряды) в p-области.

Между нескомпенсированными зарядами в n- и p-областях возникает электрическое поле напряженностью , называемое внутренним, и контактная разность потенциалов (рис. 3.1, б ,

где – постоянная Больцмана; – абсолютная температура; – заряд электрона; , – концентрация акцепторной и донорной примеси соответственно; – концентрация примеси в собственном полупроводнике; , – электрический потенциал p- и n-области соответственно. Электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии носителей заряда через переход, при этом возникает потенциальный энергетический барьер для основных носителей величиной .

Вектор напряженности внутреннего электрического поля в p-n-переходе направлен от n-области к p-области. Поэтому возникшее электрическое поле вызывает дрейфовый перенос носителей из области, где они являются неосновными, в ту область, где они становятся основными носителями. Электроны дрейфуют из p-области в n-область, а дырки наоборот. Дрейфовый ток имеет направление, встречное диффузионному . При отсутствии внешних воздействий на переход устанавливается состояние динамического равновесия, при котором суммарный ток через переход равен нулю: , т.е. число диффундирующих носителей равно числу дрейфующих носителей.

Ширина перехода определяется следующим выражением:

где – абсолютная диэлектрическая проницаемость полупроводника; , – глубина проникновения перехода в p- и n-область соответственно.

Область p-n-перехода, характеризующуюся низкой концентрацией подвижных носителей заряда, можно рассматривать как квазидиэлектрик, поскольку подвижные носители заряда из нее удаляются внутренним электрическим полем и диффузией. По этой причине p-n-переход часто называют обедненным слоем.

Прямое включение p-n-перехода. Если к переходу подключить внешний источник с напряжением , как показано на рис. 3.2, а, таким образом, что вектор напряженности образованного им электрического поля будет направлен встречно вектору напряженности внутреннего поля , то в результате уменьшится разность потенциалов между областями (рис. 3.2, б):

напряженность суммарного электрического поля в p-n-переходе также уменьшится:

соответственно снизится высота потенциального барьера до величины и сузится область p-n-перехода. Причем зависимость ширины перехода от напряжения на нем описывается выражением

Большое число основных носителей оказывается способным преодолеть снизившийся потенциальный барьер p-n-перехода, и через него начинает протекать значительный ток, который будет расти при увеличении приложенного напряжения, поскольку будет расти число носителей, способных преодолеть пониженный потенциальный барьер. Диффузионная составляющая тока через p-n-переход будет значительно выше дрейфовой составляющей . Ток, протекающий через переход, называют прямым током , а напряжение рассмотренной полярности называется прямым напряжением и считается положительным. При прямом включении p-n-перехода происходит инжекция носителей заряда – диффузионный перенос основных носителей в область, где они становятся неосновными.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных p-n-переходов, в которых концентрация легирующей примеси в одной из областей перехода много выше, чем в другой области. В таком переходе более легированную область называют эмиттер, а менее легированную – база. Инжекцию в таких переходах можно считать односторонней, поскольку преобладает инжекция носителей из эмиттера в базу.

Обратное включение p-n-перехода. Если к переходу подключить внешний источник с напряжением , как показано на рис. 3.3, а, таким образом, что вектор напряженности образованного им электрического поля будет сонаправлен с вектором напряженности внутреннего поля , то в результате увеличится разность потенциалов между областями (рис. 3.3, б):

напряженность суммарного электрического поля в p-n-переходе также увеличится


соответственно повысится высота потенциального барьера до величины и расширится область p-n-перехода. Зависимость ширины перехода от обратного напряжения на нем описывается выражением

В таких условиях основные носители оказываются неспособными преодолеть повысившийся потенциальный барьер p-n-перехода, и через него протекает незначительный по величине ток неосновных носителей, для которых суммарное поле перехода является ускоряющим, т.е. . Таким образом, обратный ток перехода в отличие от прямого является дрейфовым, его величина практически не зависит от напряжения, поскольку не меняется число носителей, создающих его. Напряжение рассмотренной полярности называется обратным напряжением и считается отрицательным. При обратном включении p-n-перехода происходит экстракция носителей заряда – дрейфовый перенос неосновных носителей в область, где они становятся основными.

Контакт металл - полупроводник и гетеропереходы

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

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.

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.

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).

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:

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 (Nа>>Nд), то и ток инжекции дырок Iр будет много больше тока инжекции электронов In (Ip>>In). 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.

Переход металл – полупроводник

Для обеспечения соединения полупроводниковых приборов с элементами схемы любого электронного устройства необходимо использовать металлические проводниковые материалы, которые и образуют контакт между металлом и полупроводником. Оказалось, что свойства такого контакта определяются типом и характеристиками как полупроводника, так и металла и могут существенно различаться друг от друга.

Основную роль в контактных явлениях играет работа выхода из металла и полупроводника. Рассмотрим контакт металла с n – полупроводником. Работа выхода из металла ( Ам ) или полупроводника ( Аn ) определяется как работа, необходимая для перевода электрона с уровня Ферми в вакуум. На рис.4.15 –а)


Рисунок 4.15. Зонные диаграммы контакта металл - n – полупроводник		 изображена зонная диаграмма изолированных друг от друга металла и полупроводника n – типа, помещённых в вакуум. Уровень Ферми в металле расположен у вершины электронного распределения. Пусть работа выхода из металла больше работы выхода из полупроводника Ам > Аn. При соприкосновении металла с полупроводником электроны начнут переходить из вещества с большей энергией уровня Ферми в вещество с

меньшей энергией уровня Ферми, т.е. из полупроводника в металл потечёт поток электронов.

В результате металл начинает заряжаться отрицательно, а полупроводник – положительно и между ними у границы контакта возникают объёмные заряды и устанавливается контактная разность потенциалов Uкн, зависящая от разности Ам и Аn. Направленное перемещение электронов будет происходить до тех пор, пока уровни Ферми не выровняются и не установится состояние динамического равновесия ( рис. 4.15 – б). Вследствие малой концентрации электронов в полупроводнике ( на несколько порядков меньше, чем в металле) электроны будут идти из объёма, оставляя в приконтактном слое полупроводника нескомпенсированный положительный заряд доноров. В результате возникает слой, обеднённый носителями зарядов, т.е. слой повышенного сопротивления ( запирающий слой ).

Ширина области пространственного заряда в полупроводнике составляет единицы микрометров, а в металле – менее 10 – 4 мкм. В результате зоны энергии в приконтактной области полупроводника искривляются кверху (см. рис. 4.15 – б). Чтобы преодолеть контактный потенциальный барьер, электрон полупроводника или металла должен обладать энергией большей уровня Ферми на величину е ( Ам – Аn ). Обеднённая носителями область пространственного заряда, обладающая высоким сопротивлением и представляет собой переход металл – полупроводник, называемый переходом Шоттки по имени учёного, впервые описавшего его в 1938 году.

Очевидно, что пространственный заряд создаёт внутреннее электрическое поле, вектор напряжённости которого направлен от полупроводника к металлу. Электрическое поле внешнего источника напряжения, совпадающее по направлению с внутренним полем ( аналогично обратному включению р - n перехода ) увеличивает ширину области пространственного заряда, а противоположное ( как и при прямом включении р - n перехода ) уменьшает её. Таким образом, при образовании обеднённого слоя получается выпрямляющий переход металл – полупроводник.

На рис. 4.15 – в) показаны зонные диаграммы перехода металл – полупроводник n – типа, но материалы выбраны такими, что работа выхода из металла меньше работы выхода из полупроводника Аn > Aм. В результате преимущественный переход электронов будет происходить из металла в полупроводник, в приконтактном слое повысится концентрация электронов и понизится его сопротивление. Искривление энергетических зон в этом случае произойдёт в противоположную сторону. Слой полупроводника, в котором концентрация основных носителей заряда больше концентрации ионизированных доноров ( или акцепторов ) , называется обогащённым. Обогащённый слой имеет одинаковое сопротивление при любом направлении поля внешнего источника электрического напряжения, приложенного к переходу. В связи с этим такие контакты используются для внешних присоединений полупроводниковых приборов и называются омическими контактами.


Рисунок 4.16. Зонные диаграммы контакта металл - р – полупроводник.		 В случае контакта металла с дырочным полупроводником при Ам > Ар часть электронов из полупроводника уйдёт в металл, поэтому приконтактный слой будет иметь повышенную концентрацию дырок и пониженное сопротивление, т.е. станет обогащённым (см. рис. 4.16 - а). При обратном соотношении работ выхода из металла и р – полупроводника Ам

ческим полем, направленным от полупроводника к металлу, изгиб зон энергетической диаграммы для этого случая показан на рис. 4.16 – б).

Таким образом для создания выпрямляющего контакта используют n – полупроводник с работой выхода Ам > Аn, а также р – полупроводник с работой выхода Ам < Ар. Омический ( невыпрямляющий контакт ) образует n – полупроводник с работой выхода Аn >Aм и р- полупроводник с работой выхода Ам > Ар.

В переходах Шоттки отсутствуют процессы накопления и рассасывания неосновных носителей заряда, характерные для электронно – дырочных переходов. Это является причиной того, что приборы с переходом Шоттки обладают значительно более высоким быстродействием по сравнению с р – n переходом, что позволяет использовать их на частотах до 500 ГГц.

На рис. 4.17 приведена прямая ветвь ВАХ перехода Шоттки (1) и для сравнения одного из лучших p – n переходов (2). Отсюда наглядно видно, что переход металл – полупроводник имеет существенно меньшее падение напряжения в прямом направлении, чем p – n переход – это приводит к меньшим потерям при использовании приборов с переходом Шоттки.

Гетеропереходы

Рассмотренные ранее электронно – дырочные переходы относятся , как это уже указывалось, к гомогенным переходам ( гомопереходам ), т.е. полученным в одном полупроводнике с областями разного типа проводимости или одного типа, разной концентрации примеси. В последнее время всё большее распространение получают полупроводниковые приборы, построенные на гетеропереходах. Гетеропереходами называют переходы между различными полупроводниками, имеющими различную ширину запрещённой зоны.

Если имеются два различных полупроводника, то возможны четыре типа гетеропереходов в зависимости от характера примесей в этих полупроводниках: n1 – n2, р1 – р2, р1 – n2 , р2 – n1. Как особый случай гетероперехода можно представить переход металл – полупроводник, поэтому его мы рассмотрели в предыдущем параграфе.

Принципиально процессы в гетеропереходах не отличаются от ранее рассмотренных процессах в обычных электронно – дырочных переходах. Однако электрические параметры отличаются из –за особенностей материалов и технологии изготовления приборов на гетеропереходах. Так, например, диоды с гетеропереходами типа n1 – n2 или р1 – р2 обладают высоким быстродействием и высокой предельной частотой, так как в них отсутствует сравнительно медленный процесс накопления и рассасывания неосновных носителей, характерный для обычных переходов. Для гетеродиодов время переключения может менее 1 нсек.

Наиболее широко применяются следующие гетеропереходы: германий – арсенид галлия, германий – кремний, арсенид галлия – фосфид галлия, арсенид галлия – арсенид индия.

Основная проблема создания хороших гетеропереходов состоит в том, что трудно устранить дефекты, возникающие на границе двух различных полупроводников.

Контакт металл– полупроводник. Переход Шоттки.

Исторически первыми полупроводниковыми приборами были приборы, основанные на контакте полупроводника с металлом ( точечно-контактные диоды ). Их применение основывалось на экспериментально обнаруженном явлении – выпрямлении слабых переменных сигналов в области соприкосновения металлической иглы с полупроводниковым кристаллом.

Структура и свойства контактов металл – полупроводник зависят от расположения уровней Ферми в том и другом слое и от величины работы выхода, необходимой для перевода электрона с уровня Ферми в вакуум.

Рассмотрим энергетическое положение электронов проводимости в металле и полупроводнике относительно положения свободных электронов в вакууме. На рис. 9.1.1,а изображены энергетические диаграммы для изолированных друг от друга металла и полупроводника n- типа, помещенных в вакуум. Для выхода электрона из металла или полупроводника в вакуум, ему необходимо сообщить некоторую энергию : еφм – для металла ; еφп – для полупроводника. Предположим, что работа выхода из металла выше, чем из полупроводника. В этом случае при образовании контакта поток электронов из полупроводника в металл будет преобладающим. В результате металл начнет заряжаться отрицательно, а полупроводник – положительно и между ними на границе контакта установится некоторая контактная разность потенциалов Uk. Направленное перемещение электронов будет происходить до тех пор, пока уровни Ферми не выровняются (рис. 9.1.1,б). Вследствие ухода электронов из приконтактного слоя полупроводника этот слой обедняется носителями заряда, и его сопротивление повышается. Ширина области пространственного заряда в полупроводниках составляет единицы микро-метра, а в металлах – менее 10 -4 мкм. Поэтому в приконтактной области зоны энергии полупроводника искривляются к верху (рис. 9.1.1,б). Чтобы преодолеть возникающий на границе контакта потенциальный барьер и перейти из одного вещества в другое, электрон металла или полупроводника должен обладать энергией е(еφм - еφп) сверх энергии уровня Ферми.



Поскольку приконтактный слой полупроводника, обедненный носителями заряда, препятствует прохождению тока через контакт, он является запирающим. Очевидно, электрическое поле внешнего напряжения, совпадающее по направлению с внутренним полем (рис. 9.1.3). (Минус подключен к металлу, а плюс – к полупроводнику n-типа), в случае запирающего слоя, увеличивает ширину области пространственного заряда, а противоположно направленное поле уменьшает ее (через переход протекает ток – прямая ветвь ВАХ на рис.9.1.2(1)). Таким образом, при образовании обедненного слоя контакт металла с полупроводником приобретает выпрямляющие свойства, а вольтамперная характеристика такого контакта аналогична характеристике обычного p-n перехода.

В случае, если работа выхода из металла меньше работы выхода из полупроводника, то преимущественный переход электронов будет происходить из металла в полупроводник. Вследствие этого приконтактный слой полупроводника обогащается носителями зарядов, концентрация электронов в нем возрастает, а сопротивление понижается. На рис. 9.1.1,в показана энергетическая диаграмма для этого случая. Искривление зон энергетической диаграммы полупроводника происходит в противоположную сторону. Обогащенный приконтактный слой имеет низкое сопротивление при любой полярности внешнего напряжения, приложенного к переходу. Поэтому подобные контакты не обладают выпрямляющими свойствами и могут быть использованы для создания омических переходов в полупроводниковых приборах и микросхемах для присоединения тех или иных элементов к внешней цепи.

Впервые образование потенциального барьера в приконтактной области металла и полупроводника было обнаружено в 1930 году немецким физиком В.Шоттки. По имени ученого выпрямляющий контакт металл – полупроводник п-типа называют переходом Шоттки. Важнейшей особенностью перехода Шоттки по сравнению с р-п переходом является отсутствие инжекции неосновных носителей заряда. Эти переходы работают только на основных носителях. Отсюда следует, что в приборах, в которых используется переход Шоттки, отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасыванием неосновных носителей. Отсутствие диффузионной емкости существенно повышает быстродействие приборов, в том числе работающих в режиме переключения. Не менее важной особенностью таких приборов является значительно меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжением на р-п переходе. Это объясняется тем, что при прохождении даже небольшого начального тока через контакт с большим сопротивлением на нем выделяется тепловая энергия, способствующая дополнительной термоэлектронной эмиссии и росту числа носителей заряда , принимающих участие в образовании прямого тока.

Для сравнения на рис. 9.1.2 приведены вольтамперные характеристики перехода Шоттки и р-п перехода.

Читайте также: