Контакт металл– полупроводник. Переход Шоттки.

Исторически первыми полупроводниковыми приборами были приборы, основанные на контакте полупроводника с металлом (точечно-контактные диоды). Их применение основывалось на экспериментально обнаруженном явлении – выпрямлении слабых переменных сигналов в области соприкосновения металлической иглы с полупроводниковым кристаллом.

Структура и свойства контактов металл – полупроводник зависят от расположения уровней Ферми в том и другом слое и от величины работы выхода, необходимой для перевода электрона с уровня Ферми в вакуум.

Рассмотрим энергетическое положение электронов проводимости в металле и полупроводнике относительно положения свободных электронов в вакууме. На рис. 9.1.1,а изображены энергетические диаграммы для изолированных друг от друга металла и полупроводника n- типа, помещенных в вакуум. Для выхода электрона из металла или полупроводника в вакуум, ему необходимо сообщить некоторую энергию: еφ_м – для металла; еφ_п – для полупроводника. Предположим, что работа выхода из металла выше, чем из полупроводника. В этом случае при образовании контакта поток электронов из полупроводника в металл будет преобладающим. В результате металл начнет заряжаться отрицательно, а полупроводник – положительно и между ними на границе контакта установится некоторая контактная разность потенциалов U_k. Направленное перемещение электронов будет происходить до тех пор, пока уровни Ферми не выровняются (рис. 9.1.1,б). Вследствие ухода электронов из приконтактного слоя полупроводника этот слой обедняется носителями заряда, и его сопротивление повышается. Ширина области пространственного заряда в полупроводниках составляет единицы микро-метра, а в металлах – менее 10^-4 мкм. Поэтому в приконтактной области зоны энергии полупроводника искривляются к верху (рис. 9.1.1,б). Чтобы преодолеть возникающий на границе контакта потенциальный барьер и перейти из одного вещества в другое, электрон металла или полупроводника должен обладать энергией е(еφ_м - еφ_п) сверх энергии уровня Ферми.

 

Поскольку приконтактный слой полупроводника, обедненный носителями заряда, препятствует прохождению тока через контакт, он является запирающим. Очевидно, электрическое поле внешнего напряжения, совпадающее по направлению с внутренним полем (рис. 9.1.3). (Минус подключен к металлу, а плюс – к полупроводнику n -типа), в случае запирающего слоя, увеличивает ширину области пространственного заряда, а противоположно направленное поле уменьшает ее (через переход протекает ток – прямая ветвь ВАХ на рис.9.1.2(1)). Таким образом, при образовании обедненного слоя контакт металла с полупроводником приобретает выпрямляющие свойства, а вольтамперная характеристика такого контакта аналогична характеристике обычного p-n перехода.

В случае, если работа выхода из металла меньше работы выхода из полупроводника, то преимущественный переход электронов будет происходить из металла в полупроводник. Вследствие этого приконтактный слой полупроводника обогащается носителями зарядов, концентрация электронов в нем возрастает, а сопротивление понижается. На рис. 9.1.1,в показана энергетическая диаграмма для этого случая. Искривление зон энергетической диаграммы полупроводника происходит в противоположную сторону. Обогащенный приконтактный слой имеет низкое сопротивление при любой полярности внешнего напряжения, приложенного к переходу. Поэтому подобные контакты не обладают выпрямляющими свойствами и могут быть использованы для создания омических переходов в полупроводниковых приборах и микросхемах для присоединения тех или иных элементов к внешней цепи.

Впервые образование потенциального барьера в приконтактной области металла и полупроводника было обнаружено в 1930 году немецким физиком В.Шоттки. По имени ученого выпрямляющий контакт металл – полупроводник п - типа называют переходом Шоттки. Важнейшей особенностью перехода Шоттки по сравнению с р-п переходом является отсутствие инжекции неосновных носителей заряда. Эти переходы работают только на основных носителях. Отсюда следует, что в приборах, в которых используется переход Шоттки, отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасыванием неосновных носителей. Отсутствие диффузионной емкости существенно повышает быстродействие приборов, в том числе работающих в режиме переключения. Не менее важной особенностью таких приборов является значительно меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжением на р-п переходе. Это объясняется тем, что при прохождении даже небольшого начального тока через контакт с большим сопротивлением на нем выделяется тепловая энергия, способствующая дополнительной термоэлектронной эмиссии и росту числа носителей заряда, принимающих участие в образовании прямого тока.

Для сравнения на рис. 9.1.2 приведены вольтамперные характеристики перехода Шоттки и р-п перехода.