Контакт металл – полупроводник

Структура и свойства контакта металл-полупроводник в первую очередь зависят от взаимного положения уровней Ферми. Это определяет, в какое вещество будет происходить преимущественный переход электронов сразу после образования контакта. Если уровень Ферми, например, в полупроводнике, расположен выше чем в металле, то вероятность заполнения электронами какого либо уровня с энергией Е в полупроводнике больше, чем этого же уровня в металле. Поэтому электроны с уровней энергии в полупроводнике будут переходить на более свободные уровни энергии в металле.

На рис. 6.25 показаны зонные диаграммы металла и полупроводника n-типа до и после образования контакта.

Пусть уровень Ферми металла Е_FM лежит ниже уровня Ферми полупроводника E_FП, то есть Ф_М > Ф_П. Для того, чтобы электрон перешел из металла на дно зоны проводимости Е_С, он должен преодолеть потенциальный барьер

φ_М = Ф_М - χ_П. (6.15)

Электроны же из полупроводника беспрепят-ственно могут переходить в металл. Поэтому в первый момент соприкосновения поток элек-тронов из полупроводника превышает поток электронов из металла. В результате металл в области контакта приобретает отрицательный заряд. В полупроводнике возникает положительный объемный неподвижный заряд ионизированных атомов донорной примеси. В контакте возникает электрическое поле E_К, которое препятствует переходу электронов из полупроводника в металл. Направленный поток электронов будет иметь место до тех пор, пока уровни Ферми в системе не сравняются. При этом уровень Ферми в полупроводнике смещается вниз относительно уровня Ферми металла. Энергетическая диаграмма контакта примет вид, показанный на рис.. В системе устанавливается термодинамическое равновесие, характеризуемое контактной разностью потенциалов V_К и равенством токов термоэлектронной эмиссии.

Но в рассматриваемом случае термоэлектронная эмиссия происходит не в вакуум, а из полупроводника в металл и из металла в полупроводник. Поэтому она характеризуется величинами: φ_М – энергия, которую необходимо сообщить электрону для перехода его с уровня Ферми металла на дно зоны проводимости в объеме полупроводника; j_П = Ф_П - χ_П –энергия, которую необходимо сообщить электрону для его перехода со дна зоны проводимости в объеме полупроводника непосредственно в металл. Тогда для токов в состоянии равновесия контакта можно записать:

АТ² = АТ² . (6.16)

Откуда следует, что контактная разность потенциалов равна:

V_К = (j_М – j_П)/q. (6.17)

Толщина слоя объемного заряда в металле не превышает 0,001 мкм в силу большой концентрации электронов. В полупроводнике же толщина слоя заряда в силу значительно меньшей концентрации электронов может превышать 1 мкм. Поэтому можно считать, что контактная разность потенциалов V_К полностью приходится на приконтактную область полупроводника. В этом случае, для перехода электрона из полупроводника в металл он должен преодолеть потенциальный барьер со стороны E_К и его энергия должна возрастать. Следствием этого является искривление зон энергии кверху, так что дно зоны проводимости Е_С удаляется от уровня Ферми Е_FП, а потолок валентной зоны Е_V, наоборот приближается к уровню Ферми, Поэтому вблизи контакта концентрация основных носителей заряда – электронов уменьшается, сопротивление этой области резко возрастает по сравнению с объемом.

Ясно, что, подавая на такой контакт внешнее напряжение, можно изменять высоту потенциального барьера и управлять потоком электронов через контакт, то есть он обладает выпрямляющими свойствами.

Теперь рассмотрим случай контакта металла с полупроводником р-типа, причем Ф_П>Ф_М. Энергетические диаграммы металла и полупроводника до и после образования контакта приведены на рис.6.26. В этом случае в первый момент соприкосновения поток электронов из металла превышает поток электронов из полупроводника. В результате металл в области контакта приобретает положительный заряд. В полупроводнике возникает отрицательный заряд избыточных электронов. В контакте возникает электри-ческое поле E_К, которое препятствует пере-ходу электронов из металла в полупроводник. Направленный поток электронов будет иметь место до тех пор, пока уровни Ферми в системе не сравняются. При этом уровень Ферми в металле смещается вниз относительно уровня Ферми полупроводника. Энергетическая диаграмма контакта примет вид, показанный на рис6.26б. В системе устанавливается термодинамическое равновесие, характеризуемое контактной разностью потенциалов V_К и равенством токов термоэлектронной эмиссии:

АТ² = АТ² .

Величина контактной разности потенциалов будет определяться соотношением (6.17). Возникший потенциальный барьер, как и ранее, приводит к изгибу энергетических зон в полупроводнике, но в данном случае изгиб происходит вниз. При этом потолок валентной зоны удаляется от уровня Ферми Е_FП, что свидетельствует о уменьшении концентрации основных носителей заряда – дырок вблизи контакта и увеличении сопротивления приконтактной области полупроводника. Так же как и выше, получили контакт, который обладает выпрямляющими свойствами.

Рассмотренные контакты называется контактами Шоттки.