Электрические переходы

Электрическим переходом называется переходный слой межд\ областями твердого тела с различными типами или значениями про. водимости:

1) между областями полупроводника п- и р-типа (электронно- дырочный переход);

2) между металлом и полупроводником;

3) между диэлектриком и полупроводником;

4) между областями полупроводника с различными концентра­циями примеси одного вида проводимости {п⁺ -п, р~ - р)\

5) между полупроводниками с одинаковой шириной запрещен­ной зоны (гомопереходы) и с разной шириной запрещенной зоны (ге­теропереходы). Предельным случаем гетероперехода является кон­такт «металл-полупроводник» (у металла нет запрещенной зоны).

Физические процессы в переходах лежат в основе принцип; действия большинства полупроводниковых приборов и интегральные схем (ИС). Однородные полупроводники имеют крайне узкое приме­нение, например, для создания резисторов.

6.3. Физические процессы при контакте «металл - полупроводник»

Контакты между металлом и полупроводником использую тс? для создания быстродействующих диодов и для формирования внеш них выводов от полупроводниковых областей. Тип контакта «металл - полупроводник» определяется:

1) работой выхода из металла и полупроводника;

2) типом проводимости полупроводника;

3) типом и концентрацией примеси полупроводника;

4) знаком и плотностью поверхностного заряда на границе рз>

дела.

рассмотрим несколько видов контакта «металл - полупровод- ляк» имея в виду при этом, что уровень Ферми в металле всегда рас­положи ^{в зоке} проводимости, и для равновесной системы должен

быть единым.

6,3.1. Выпрямляющие контакты «металл - полупроводник». рассмотрим контакт «металл - полупроводник />типа», в котором уровень Ферми > ф,, _Р, а работа выхода A_Mg < А_р, рис. 6.2.

Металл

Полупроводник р-типа

^Д1Г Ч.

Ф/г

_________ 9*-,

1L

ф,. "<РV

. - ф*

Лф., у__

Lt;Рл

<р₍-

Рис. 6.2. Зонные диаграммы контакта «металл - полу проводник /э-типа»: а- до контакта; б - после контакта

Поверхность, по которой контактируют слои металла и полу­проводника, называется металлургической границей.

После объединения слоев часть электронов диффундирует из металла в полупроводник (валентную зону) и создает здесь отрица­тельный заряд. Появление дополнительных электронов в приповерх­ностном слое полупроводника приводит к усиленной рекомбинации. В результате уменьшается количество дырок (основных носителей), и вблизи границы «обнажаются» некомпенсированные отрицательные ^и°ны акцепторов.

В результате диффузии электронов и перераспределения зарядов нарушается элсктронейтральность прилегающих к границе областей, возникает электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии электронов и обеспечивает больцмановское равновесие в области контакта. Величина этого поля характеризуется контактной разностью потенциалов:

Ф.«-#/ = ~{^Ам ~^А1у)= Фи -Фл- (6.-1)

я

где А_к, и А и - работы выхода электронов из металла и полупровод­ника.

Наличие отрицательного заряда приводит к уменьшению рас­стояния между уровнем Ферми и зоной проводимости, поэтому энер­гетические зоны искривляются вниз, так как уменьшается количество дьтрок и полупроводник /7-типа стремится к собственному полупро­воднику.

Область искривления зон, т.е. область объемного заряда, в кото­рой понижена концентрация основных носителей заряда (по сравне­нию с объемной), называется запирающим слоем или барьером Шоттки.

Его протяженность определяется по формуле (4.18) и составля­ет 0,05 - 0,2 мкм.

Запирающий слой обладает пониженной удельной проводимо­стью, поэтому определяет сопротивление всей системы.

Рассмотрим контакт «металл - полупроводник и-типа», в кото­ром уровень Ферми ср,. _ЛА < ф_Ги, а работа выхода А_К4е > А„, рис. 6.3.

При объединении слоев электроны из полупроводника перехо­дят в металл. В полупроводнике появляется слой, обедненный основ­ными носителями (электронами), содержащий положительные ионы доноров.

Энергетические зоны при этом искривляются вверх, уменьшая расстояние между уровнем Ферми и потолком валентной зоны. В обедненном слое возникает электрическое поле, которое препятству­ет дальнейшей диффузии электронов в металл. В результате в полу­проводнике появляется приконтактный запирающий слой (барьер Шотгки), на котором падает практически все приложенное внешнее напряжение.

п- noiyiipoaodmiK

,iметалл 4>*iil- <Рйда.

		\ ч
			Ч>Л|
	* ^л Лф,. V	V	о,.
			Ф*
		Ч| ■о-;	------ Фг-

Рис. 6.3. Зонные диаграммы контакта «металл — полупроводник «-типа»: а - до контакта; 0 - после контакта

Ширина обедненного слоя в полупроводнике 10~⁵гл< значитель­но больше, чем в металле 10~^хси. Дело в том, что концентрация сво­бодных электронов в полупроводнике на несколько порядков мень­ше, чем в металле, и для выравнивания уровней Ферми необходим переход в металл электронов из тысяч атомных слов полупроводника.

В зависимости от полярности и величины приложенного внеш­него напряжения изменяется высота Д<р₀ (и ширина L_Gh) потенци­ального барьера и сопротивление контакта металл - полупроводник.

Рассмотрим несколько вариантов.

I) Контакт «металл - полупроводник р-типа» (А_Ме < А_Р).

Ф,-

Если внешнее напряжение приложено минусом к металлу, а плюсом к р-по лу про вод н и ку, то оно будет направлено навстречу внутреннему полю, что приведет к понижению высоты потенциаль- ^Ного барьера.

прямпе,

Ооратнос

Рис. 6.4 Прямое и обратное нключения перехода «металл - полупроводник /?-тика»

Концентрация дырок в переходе увеличится, так как электроноЕ станет меньше, соответственно увеличится проводимость. Такое включение называется прямым.

Если внешнее напряжение приложено плюсом к металлу, а ми­нусом к /^-полупроводнику, то потенциальный барьер повышается. Граничный слой еще больше обедняется дырками и проводимость уменьшается по сравнению с равновесной. Такое включение называ­ется обратным.

2) контакт «металл - полупроводник «-типа» (Л_Ме > А_п).

м

- Е.1Иф

Me	п
+	-

■е=

прямое

+ обратное Рис. 6.5. Прямое и обратное включения перехода «металл - полупроводник «-типа»

Если внешнее напряжение приложено плюсом к металлу, а ми­нусом к «-полупроводнику, то потенциальный барьер понижается, граничный слой «-полупроводнику обогащается электронами и про­водимость увеличивается - прямое смещение.

\<е	Г
+	-

Если внешнее напряжение приложено минусом к металлу. - плюсом к «-полупроводнику, то - обратное включение.

Таким образом, контакт «металл - полупроводник» обладает вентильными свойствами и используется при создании полупро­водниковых приборов (диодов Шоттки).

Рассмотрим случай, когда уровень Ферми в металле в исходном состоянии лежит ниже середины запрещенной зоны полупроводника _и-типа (рис. 6.6). Энергетические диаграммы искривляются настолько сильно (существует большая контактная разность потенциалов), что уровень Ферми вблизи границы лежит ниже середины запрещенной зоны - уровня электростатического потенциала ср_>;.

п- тиупроводник а„

Фм» ф,- ' ф,, 4>F - Фг

"л" н	\
	\
Инверс г*	! ^4 >

Фя«

Рис. 6.6 Образование инверсионного слоя: а - до контакта: 6 - после контакт а

Ф».1А Фс ф/ Фе Ф,

Следовательно, вблизи границы в полупроводнике «-типа обра­зуется тонкий (1-2 нанометра) слой с обратным типом проводимо- ^сти (Р-тип), который называется инверсионным. Т.е. в исходной Истине полупроводника и-типа образовался р-п -переход.

С физической точки зрения образование инверсного слоя объяс­няется тем, что электронов в зоне проводимости {в приграничном слое) недостаточно для равновесия системы и в металл переходит не­которое количество электронов из валентной зоны, в результате чего здесь образуются дырки.

6.3.2. Невыпрямляющие (омические) контакты «металл - полупроводник». Рассмотрим контакт «металл - полупроводник «-типа», в котором выполняются соотношения: (p_FiWi, > ф_Лп, А_Ш<А. (рис 6.7).

В этом случае электроны будут переходить из металла в полу­проводник «-типа. Граничные слои будет обогащаться основными носителями заряда (электронами). Соответственно, удельные сопро­тивления слоев в зоне контакта (граничных слоев) оказываются зна­чительно меньше, чем основных нейтральных слоев в объеме полу­проводника. Поэтому сопротивление системы в целом определяется нейтральным слоем полупроводника, а не контактной областью. Сле­довательно, оно практически не зависит от полярности (и величины) приложенного внешнего напряжения.

Такие невыпрямляющие переходы в системе «металл - полупро­водник» называются омическими. Контактная разность потенциалов получается отрицательной.

Если контактная разность потенциалов является по модулю не­большой, то искривления энергетических зон малы и уровень Ферми не пересекает разрешенные зоны полупроводника. При больших зна­чениях контактной разности потенциалов искривления зон будут больше, и уровень Ферми будет частично проходить через зону про­водимости полупроводника (на рисунке выделено штрихпунктиром) Это означает, что соответствующие граничные участки превращают­ся в полуметаллы с ничтожно малым удельным сопротивлением.

Для омического контакта «металл - полупроводник р-типа» вы­полняются условия: < A_Ut. > А_Р.

Омические контакты используют в местах присоединения внешних выводов к полупроводниковому слою. Такие контакты не образуют дополнительного паразитного перехода. Помимо двухсто­ронней проводимости важным свойством омических контактов явля­ется ничтожное время жизни носителей заряда в обогащенном слое.

Получение омических контактов является не менее важной за­дачей, чем получение рабочих ^-«-переходов.

метни

Фяи"

п -и олупровидник

' Ф«1Г ■ ф<-

Ф;

;
	О /
	/

<9ы Фг

Рис. 6.7. Зонная диаграмма нсвыпрямляющего (омического) контакта «металл - полупроводник»: о до контакта; б —после контакта

При создании омических контактов к заданному техническими условиями полупроводнику подбирается соответствующий металл (AI, Au, Sn), образующий в приконтактной области слой, обогащен­ный основными носителями заряда и имеющий малое удельное со­противление.

Дата добавления: 2015-11-26