Контакт металл-полупроводник

При непосредственном контакте металла с полупроводником уровни Ферми этих материалов при термодинамическом равновесии должны совпадать (ток не течет). На рисунке 7.2 показаны энергетические диаграммы для идеального контакта (без поверхностных состояний) металла с полупроводником n- типа.

На первом рисунке слева металл и полупроводнике не приведены в соприкосновение друг с другом и система не находятся в состоянии термодинамического равновесия. Если потом из соединить, как показано на крайнем рисунке справа (средние рисунки - это сближение металла с полупроводником), то из полупроводника в металл перетечёт некоторый заряд и установится состояние термодинамического равновесия. При этом уровни Ферми в обеих материалов сравняются, т.е. уровень Ферми в полупроводнике понизится относительно уровня Ферми в металле на величину, равную разности соответствующих работ выхода.

Работой выхода называется разность энергий между уровнем вакуума и уровнем Ферми. Для металла эта величина составляет qj_m (j_m - измеряется в электрон-вольтах), а в полупроводнике она равна q(χ+V_n) (см. левый рисунок), где qχ - электронное сродство, т.е. разница между энергией дна зоны проводимости Е_с и уровнем вакуума, а qV_n - положение уровня Ферми в запрещённой зоне полупроводника. Разность qj_m - q(χ+V_n) называется контактной разностью потенциалов. По мере уменьшения расстояния между металлом и полупроводником отрицательный заряд на поверхности металла увеличивается. При этом в полупроводнике образуется равный по величине положительный заряд, расположенный в области вблизи края полупроводника. При соединении металла с п/п (крайний правый рисунок 7.2) образуется потенциальный барьер, равный разности между работой выхода металла и электронным сродством полупроводника:

(7.1)

Итак, контакт металла с полупроводником характеризуется наличием заряженной области (обеднённой свободными носителями), потенциального барьера, также, как и в полупроводниковом pn переходе. Такая система также описывается уравнением Пуассона, решением которого будет выражение для электрического поля и потенциала. В итоге выражение для вольтамперной характеристики будет :

, (7.2)

Где J_s плотность тока насыщения, имеющего сложную зависимость от высоты барьера и температуры, V – подаваемое напряжение.

Пример вольтамперной характеристики в координатах: логарифм I_F (прямой ток) от V_F (прямое напряжение) показан на рисунке 7.3

Прямая линия в полулогарифмических координатах свидетельствует об экспоненциальной зависимости в широком диапазоне токов, а точка пересечения прямых с осью ординат при V_F = 0 позволяет найти высоту потенциального барьера.

Диод Шоттки – разновидность выпрямительных диодов, работающий на основе выпрямляющего контакта металл – полупроводник, образующего контактную разность потенциалов из-за перехода части электронов из полупроводника n -типа в металл и уменьшения концентрации электронов в полупроводниковой части контакта. Эта область обладает повышенным сопротивлением. При подключении внешнего источника плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, потенциальный барьер понизится и через переход пойдет прямой ток.

В диоде Шоттки отсутствуют явления накопления и рассасывания основных носителей, поэтому они очень быстродействующие и могут работать на частотах до десятков ГГц. Прямое напряжение составляет ~0,5 В, прямой допустимый ток может достигать сотни ампер, а обратное напряжение – сотен вольт. ВАХ диода Шотки напоминает характеристику обычных p-n-переходов, отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8-10 декад напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи достаточно малы – 10^-10…10^-9 А.

Конструктивно диоды Шоттки выполняют в виде пластины из низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла.

Диоды Шоттки применяют в переключательных схемах, а также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах, из-за соответствующей вида его ВАХ.