Контакт металла с полупроводником

Для определенности выберем полупроводник n-типа. Предположим, что работа выхода электрона из металла больше, чем его работа выхода из n-полупроводника. При контакте металла с полупроводником часть электронов будет переходить из полупроводника в металл до тех пор, пока их уровни Ферми не выровняются. Приконтактный слой n-полупроводника обеднится электронами и зарядится положительно, а металл получит отрицательный заряд. Между металлом и полупроводником образуется двойной электрический слой. Поскольку концентрация электронов проводимости в полупроводнике на 7 порядков меньше, чем в металле, то переход через контакт такого же количества электронов, как и при соприкосновении двух металлов, связан с «оголением» атомных слоев полупроводника. Таким образом, при контакте металла с полупроводником выравнивание химических потенциалов может происходить только путем перехода на контактную поверхность металла электронов из граничного слоя полупроводника значительной толщины d (рис. 3.4) и вся контактная разность потенциалов приходится на полупроводник, а не на зазор между полупроводником и металлом. Ионизированные атомы примеси, остающиеся в этом слое, образуют неподвижный объемный положительный заряд. Так как этот слой практически лишен свободных электронов, то его называют обедненным, а контакт «металл - обедненный слой полупроводника», обладающий высоким сопротивлением, называют блокирующим (запирающим).

Замечательным свойством блокирующего контакта является резкая зависимость его сопротивления от направления внешнего электрического поля, приложенного к контакту. Эта зависимость настолько сильна, что приводит практически к односторонней (униполярной) проводимости контакта. Если вектор направлен от металла к полупроводнику (металл соединен с положительным полюсом источника тока, а полупроводник – с отрицательным), то электроны втягиваются из объема полупроводника в контактный слой, что приводит к уменьшению его толщины и увеличению проводимости. В этом направлении, называемом пропускным (прямым), электрический ток может проходить через контакт металла с полупроводником. Если вектор направлен от полупроводника к металлу, то электроны вытесняются из двойного слоя в объем полупроводника, увеличивая толщину запирающего слоя и его сопротивление. В этом направлении, называемом обратным, электрический ток не проходит через контакт. На рисунке 3.5 приведен вид вольт-амперной характеристики (ВАХ) такого контакта. Из рисунка видно, что контакт полупроводника с металлом действительно обладает выпрямляющим действием: он пропускает ток в прямом направлении и почти не пропускает в обратном.

Отношение силы тока, текущего в прямом направлении, к силе тока, текущего в обратном направлении, отвечающее одной и той же разности потенциалов, называют коэффициентом выпрямления. Для хороших выпрямляющих контактов он достигает значения десятков и сотен тысяч.

Потенциальный барьер, возникающий в выпрямляющем контакте полупроводника с металлом, называют часто барьером Шоттки, а диоды, работающие на его основе, - диодами Шоттки.

Кроме случая, когда работа выхода электрона из металла больше работы выхода электрона из n-полупроводника, возможен случай, когда n-полупроводник имеет большую работу выхода, чем металл. При этом электроны переходят из металла в полупроводник, и удельное сопротивление контактного слоя будет меньше, чем в остальном объеме полупроводника. Контакт металла с таким полупроводником не образует запирающего слоя и не оказывает выпрямляющего действия на переменные токи.

Контакт электронного и дырочного полупроводников (p-n-переход)

Во многих областях современной электроники большую роль играет контакт двух полупроводников с различными типами проводимости. Такой контакт называется электронно – дырочным или p-n-переходом.

Такие переходы используются не только для выпрямления переменных токов, но и для генерации и усиления высокочастотных токов.

Практически p-n-переход представляет собой тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла, отличающимися типом примесной проводимости. В p-области основными носителями тока являются дырки, образовавшиеся в результате захвата электронов атомами примеси; акцепторы при этом становятся отрицательными ионами (рис. 3.6; большие кружки – ионы, малые кружки – дырки, черные точки – электроны). Кроме того, в p-области имеется небольшое число неосновных носителей – электронов, возникающих вследствие перевода тепловым движением электронов из валентной зоны непосредственно в зону проводимости. В n-области основные носители тока – электроны, отданные донорами в зону проводимости. Имеется и небольшое число неосновных носителей – дырок, возникающих вследствие перехода за счет теплового движения электронов из валентной зоны в зону проводимости.

Диффундируя во встречных направлениях через пограничный слой, дырки и электроны рекомбинируют друг с другом. Поэтому p-n-переход оказывается сильно обедненным носителями тока и приобретает большое сопротивление. Одновременно на границе между областями возникает двойной электрический слой, образованный отрицательными ионами акцепторной примеси и положительными ионами донорной примеси. Электрическое поле в этом слое направлено так, что противодействует дальнейшему переходу через слой основных носителей. Равновесие достигается при такой высоте потенциального барьера, при которой уровни Ферми обеих областей располагаются на одинаковой высоте (рис. 3.7).

Изгибание энергетических зон в области перехода вызвано тем, что потенциал p-области в состоянии равновесия ниже потенциала n-области, соответственно потенциальная энергия электрона в p-области больше, чем в n-области. Нижняя граница валентной зоны дает ход потенциальной энергии электрона в направлении, перпендикулярном к переходу (сплошная кривая на рис. 3.8 а). Заряд дырок противоположен заряду электронов, поэтому их потенциальная энергия больше там, где меньше (штриховая линия на рис. 3.8 а).

В состоянии равновесия некоторому количеству основных носителей удается преодолеть потенциальный барьер, вследствие чего через переход течет небольшой ток (рис. 3.8 а). Этот ток компенсируется обусловленным неосновными носителями встречным током . Неосновных носителей очень мало, но они легко проникают через границу областей, «скатываясь» с потенциального бартера. Величина .определяется числом рождающихся ежесекундно неосновных носителей и от высоты потенциального барьера почти не зависит. Величина , напротив, сильно зависит от высоты барьера. Равновесие устанавливается при такой высоте барьера, при которой токи и компенсируют друг друга.

При подаче внешнего напряжения такого направления, чтобы плюс был подключен к p-области, а минус - к n-области, потенциал p-области возрастает, потенциал n-области понижается (рис. 3.8 б). В результате высота потенциального барьера уменьшится и ток возрастет, а ток не изменится. Следовательно, при понижении высоты барьера (оно пропорционально приложенному напряжению eU) ток основных носителей, а значит и результирующий ток, быстро нарастет. Таким образом, в направлении от p-области к n-области p-n-переход пропускает ток, сила которого быстро растет при увеличении приложенного напряжения. Это направление называется прямым (пропускным).

На рисунке 3.9 представлена ВАХ p-n-перехода. Возникающее в кристалле при прямом напряжении электрическое поле «поджимает» основные носители к границе между областями, вследствие чего ширина переходного слоя, обедненного носителями, сокращается и соответственно уменьшается сопротивление перехода тем сильнее, чем больше приложенное напряжение. Поэтому ВАХ в пропускной области не является прямой (правая ветвь графика).

При подаче внешнего напряжения такого направления, чтобы плюс был подключен к n-области, а минус – к p-области, высота потенциального барьера увеличится и ток (рис. 3.8 в) уменьшится. Возникающий при этом результирующий ток (называемый обратным) быстро достигает насыщения (перестает зависеть от U) и становится равным . Таким образом, в направлении от n-области к p-области (называемом обратным или запорным) p-n-переход пропускает слабый ток, обусловленный только неосновными носителями. Лишь при очень большом обратном напряжении сила тока начинает резко возрастать вследствие электрического пробоя перехода (левая ветвь на рисунке 3.9). Из этого рисунка следует, что p-n-переход обладает в обратном направлении гораздо большим сопротивлением, чем в прямом. Возникающее в кристалле при обратном напряжении электрическое поле «оттягивает» основные носители от границы между областями, вследствие чего ширина переходного слоя, обедненного носителями, увеличивается и соответственно увеличивается сопротивление перехода.

Неодинаковость сопротивления в прямом и обратном направлениях позволяет использовать p-n-переходы для выпрямления переменного тока. На рисунке 3.10 показан график тока, текущего через переход, в том случае, если приложенное напряжение меняется по гармоническому закону. В этом случае ширина слоя, обедненного носителями, и сопротивление перехода пульсируют, изменяясь в такт с изменениями напряжения.

В области p-n-перехода или на границе металла с полупроводником может наблюдаться вентильный фотоэффект. Он заключается в возникновении под действием света электродвижущей силы (фото-ЭДС). На рисунке 3.11 показан ход потенциальной энергии электронов (сплошная кривая) и дырок (штриховая кривая) в области p-n-перехода. Неосновные для данной области носители (электроны в p-области и дырки в n-области), возникшие под действием света, беспрепятственно проходят через переход. В результате в p-области накапливается избыточный положительный заряд, а в n-области – избыточный отрицательный заряд. Это приводит к возникновению приложенного к переходу напряжения, которое и представляет собой фотоэлектродвижущую силу. Если подключить кристалл с p-n-переходом к внешней нагрузке, в ней будет течь фототок. Несколько десятков соединенных последовательно кремниевых p-n-переходов образуют солнечную батарею. Такие батареи применяются для питания радиоаппаратуры на космических кораблях и спутниках Земли.