Контакты между полупроводником и металлом широко используются для формирования внешних выводов от полупроводниковых приборов (невыпрямляющие контакты) и создание быстродействующих диодов и транзисторов (выпрямляющие контакты). Тип контакта полупроводник - металл (п/п - Ме) определяется работой выхода электронов из металла в полупроводник, типом проводимости полупроводника и концентрацией примесей в нем. Сопутствующими факторами являются знак и плотность поверхностного заряда на границе раздела.
Выпрямляющий контакт характеризуется нелинейной ВАХ типа (4.100), следовательно прямое сопротивление контакта (при подаче прямого напряжения смещения) меньше обратного.
Для получения выпрямляющего контакта между металлом и полупроводником n–типа проводимости работа выхода электронов из металла, jм, должна быть больше, чем у полупроводника, jп, то есть разность работ выхода jмп=jм – jп должна быть больше нуля(jмп>0). Величину jмп называют контактной разностью потенциалов. В этом случае при образовании контакта часть электронов переходит из полупроводника в металл; в полупроводнике появляется обедненный слой, содержащий положительный заряд ионов доноров. В обедненном слое возникает электрическое поле, препятствующее диффузии электронов к контакту (рис. 4.11, а). В контакте металла с полупроводником p-типа работа выхода электронов из металла должна быть меньше, чем из полупроводника, то есть контактная разность потенциалов jмп<0. При этом электроны из металла переходят в полупроводник, что приводит к уменьшению концентрации дырок в его приповерхностной области (рис. 4.11, б).
На зонных диаграммах рис. 4.11 изгиб зон вверх в полупроводнике n-типа (рис. 4.11, а) и вниз в полупроводнике p-типа (рис. 4.11, б) соответствует уменьшению концентрации основных носителей, образованию обедненных слоев и потенциальных барьеров jкn для электронов иjкp для дырок, переходящих из полупроводника в металл.
Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шотки. Его высота jкn для электронов и jкp для дырок является аналогом величины jк в p-n переходе. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения высота этого барьера и, соответственно, сопротивление приконтактного слоя будут меняться.
Теоретическая оценка высоты барьера jмп сложна; на практике используются экспериментальные величины jмп. Например, при контакте Al c n-Si высота барьера jмп=0,72 В, а при контакте Al c p-Si высота барьера jмп=0,58 В. Для других металлических покрытий (Au, Ag, Pt, W,PtSi, WSi) при контакте с Si или GaAs эта величина составляет 0,4…0,9 В.
Равновесная ширина l обедненного слоя контакта п/п – Ме, как и для резко несимметричного p-n перехода может быть рассчитана по формуле (4.5). Чем выше высота барьера, тем больше ширина обедненного слоя.
В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения высота барьера jкn для электронов и jкp для дырок со стороны полупроводника будут меняться. Соответственно, будет изменяться и сопротивление приконтактного слоя.
При этом подача отрицательного потенциала U на n-полупроводник или положительного – на p-полупроводник соответствует прямому напряжению на контакте п/п – Ме. Смена полярности приложенного напряжения соответствует включению обратного смещения.
Например, в контакте n-п/п – Ме при включении прямого напряжении U (плюсом к металлу, минусом к полупроводнику) уровень Ферми в металле, jFм, понижается относительно уровня Ферми в полупроводнике, jFn, на величину U, следовательно высота потенциального барьера, препятствующего переходу электронов из полупроводника в металл, уменьшается и становится равной jк – U. При включении обратного напряжения (минусом к металлу) уровень Ферми jFм повышается относительно jFn на величину U, поэтому высота потенциального барьера со стороны n-полупроводника увеличивается и становится равной jк +U. Величина контактной разности потенциалов jмп при этом остается неизменной.
Таким образом, контакты, показанные на рис. 4.10, обладают выпрямляющими свойствами и могут быть основой диодов. Диоды, использующие барьеры Шотки, называют диодами Шотки. ВАХ выпрямляющего контакта аппроксимируется уравнением, аналогичным (4.12):
,
где 10-15 А/м2 – плотность тока насыщения (уравнение Ричардсона), B≈1,1∙106 A/(м∙K)2- коэффициент, φмп –высота барьера металл-полупроводник.
Невыпрямляющий (омический) контакт используется практически во всех полупроводниковых приборах для формирования внешних выводов от полупроводниковых областей; для него характерны близкая к линейной ВАХ и малое сопротивление.
Для получения омического контакта межу металлом и полупроводником n- типа проводимости разность работ выхода jмп<0 (т. е. работа выхода электронов из металла,jм, должна быть меньше работы выхода из полупроводника,jп), а между металлом и полупроводником p-типа проводимости разность работ выхода jмп>0 (т. е. jм>jп ). В первом случае электроны будут переходить из металла в полупроводник и зоны искривятся "вниз" (рис. 4.12, а), а во втором случае электроны будут переходить из полупроводника в металл и зоны искривятся "вверх" (рис. 4.12, б). В таких контактах вблизи границы в полупроводнике накапливаются основные носители, то есть получаются обогащенные зоны.
Наличие обогащенного слоя означает, что сопротивление контакта определяется нейтральным слоем полупроводника и, следовательно, не зависит ни от величины, ни от полярности приложенного напряжения. Иными словами, в этом случае потенциальные барьеры для движения носителей тока со стороны полупроводника и металла практически отсутствуют.
,
10-15 А/м2 – плотность тока насыщения (уравнение Ричардсона), B≈1,1∙106 A/(м∙K)2- коэффициент, φмп –высота барьера металл-полупроводник.