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 <Ар возникает запирающий слой с внутренним электри -

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.

Рисунок 4.17. ВАХ перехода Шоттки (1) и р – n перехода (2).

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.