Контакт металла с полупроводником. Влияние контактного поля на энергетические уровни полупроводника. Выпрямляющие свойства контакта металла с полупроводником. Диоды Шоттки

Контакт двух металлов. Контактная разность потенциалов. Внешняя и внутренняя контактная разность потенциалов. Толщина двойного электрического слоя, возникающего в месте контакта двух металлов.

Рисунок 8.7.2. – Энергетические диаграммы электронов двух разнородных металлов до соединения

Рассмотрим два разнородных металла, отличающихся работами выхода и и уровнями Ферми и . Пусть для определенности и в металле (1) заполнены более высокие энергетические уровни, чем в металле (2). Вначале металлы разведены на расстояние во много раз превышающее период кристаллической решетки (рисунок 8.7.2).

Если металлы привести в соприкосновение (создать контакт между ними), то электроны проводимости могут переходить из одного проводника в другой в месте контакта. Работа выхода уменьшается с увеличением энергии Ферми. Для понимания явлений в переходе металл – металл необходимо принять во внимание, что энергия Ферми зависит от концентрации свободных электронов в зоне проводимости – чем больше концентрация электронов, тем больше энергия Ферми. Это означает, что при образовании перехода на границе «металл – металл» концентрация свободных электронов по разные стороны границы различна – она больше со стороны металла (1) с большей энергией Ферми. Изменение концентрации электронов от до происходит в некоторой области вблизи границы раздела между металлами, которая называется переходным слоем (рисунок 8.7.3). Изменение потенциала электрического поля на переходе показано на рисунке 8.7.4. В процессе образования перехода энергии Ферми в металлах на границе изменяются. Металл с большей энергией Ферми заряжается положительно, и, следовательно, работа выхода из этого металла увеличивается.

Рисунок 8.7.3. – Образование зарядов по разные стороны границы перехода. Изменение концентрации свободных электронов в области перехода

Рисунок 8.7.4. – Изменение потенциала электрического поля в области перехода.

В состоянии равновесия энергии Ферми в обоих металлах становятся равными. Это утверждение является очевидным. Электрические потенциалы по разные стороны перехода различны, а в переходе возникает электрическое поле. Уравнивание энергий Ферми является важнейшим фактором, определяющим характер процессов в переходе (рисунок 8.7.5). Разность потенциалов контактирующих металлов называется внутренней контактной разностью потенциалов, она определяется с достаточно большой точностью соотношением: . Можно выразить контактную разность потенциалов через концентрацию электронов в зоне проводимости первого и второго металлических проводников: . Изменение потенциала от до происходит внутри очень тонкого контактного слоя толщиной .

Рисунок 8.7.5. – Возникновение контактной разности потенциалов на переходе.

Потенциалы и электрических полей вблизи поверхностей контактирующих металлов не одинаковы. Это связано с тем, что приграничная область металла 1 заряжается положительно, и одновременно с этим происходит относительное смещение энергетических уровней электронов в контактирующих металлах: в металле 1 все уровни смещаются вниз, а в металле 2, приграничная область которого имеет отрицательный заряд, все уровни смещаются вверх. Таким образом, возникает внешняя контактная разность потенциалов, обусловленная разностью работ выхода электронов из металлов 1 и 2 (рисунок 8.7.5.): .

Контакт металла с полупроводником. Влияние контактного поля на энергетические уровни полупроводника. Выпрямляющие свойства контакта металла с полупроводником. Диоды Шоттки.

В современных полупроводниковых приборах помимо контактов с p-n-переходом применяются контакты «металл – полупроводник».

Контакт «металл – полупроводник» возникает в месте соприкосновения полупроводникового кристалла n или р-типа проводимости с металлами. Происходящие при этом процессы определяются соотношением работ выхода электрона из металла и из полупроводника . Под работой выхода электрона понимают энергию, необходимую для переноса электрона с уровня Ферми на энергетический уровень свободного электрона. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов может выйти из данного тела.

В результате диффузии электронов и перераспределением зарядов нарушается электрическая нейтральность прилегающих к границе раздела областей, возникает контактное электрическое поле и контактная разность потенциалов

Переходный слой, в котором существует контактное электрическое поле при контакте «металл – полупроводник», называется переходом Шоттки, по имени немецкого ученого В. Шоттки, который первый получил основные математические соотношения для электрических характеристик переходов.

Контактное электрическое поле на переходе Шоттки сосредоточено практически в полупроводнике, так как концентрация носителей заряда в металле значительно больше концентрации носителей заряда в полупроводнике. Перераспределение электронов в металле происходит в очень тонком слое, сравнимом с межатомным расстоянием.

В зависимости от типа электропроводности полупроводника и соотношения работ выхода в кристалле может возникать обедненный, инверсный или обогащенный слой носителями электрических зарядов.

1. , полупроводник n-типа (рис. 1.23, а). В данном случае будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник, поэтому в слое полупроводника около границы раздела накапливаются основные носители (электроны), и этот слой становится обогащенным, т. е. имеющий повышенную концентрацию электронов. Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения, и, следовательно, такой переход не обладает выпрямляющими свойствами. Его иначе называют невыпрямляющим переходом.

2. , полупроводник p-типа (рис. 1.24, б). В этом случае будет преобладать выход электронов из полупроводника в металл, при этом в приграничном слое также образуется область, обогащенная основными носителями заряда (дырками), имеющая малое сопротивление. Такой переход также не обладает выпрямляющим свойством.

Рис. 1.23. Контакт «металл – полупроводник», не обладающий выпрямляющим свойством

3. , полупроводник n-типа (рис. 1.24, а). При таких условиях электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полупроводника образуется область, обедненная основными носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенно зависеть от полярности приложенного напряжения Если , то возможно образование инверсного слоя (p-типа). Такой контакт обладает выпрямляющим свойством.

Рис. 1.24. Контакт «металл – полупроводник», обладающий выпрямляющим свойством

4. , полупроводник p-типа (рис. 1.24, б). Контакт образованный при таких условиях обладает выпрямляющим свойством, как и предыдущий.

Отличительной особенностью контакта «металл – полупроводник» является то, что в отличие от обычного p-n-перехода здесь высота потенциального барьера для электронов и дырок разная. В результате такие контакты могут быть при определенных условиях неинжектирующими, т. е. при протекании прямого тока через контакт в полупроводниковую область не будут инжектироваться неосновные носители, что очень важно для высокочастотных и импульсных полупроводниковых приборов.