Контакт металл-полупроводник: выпрямляющий (барьер Шотки) и невыпрямляющий (омический) контакты

Контакты между полупроводником и металлом широко используются для формирования внешних выводов от полупроводниковых приборов (невыпрямляющие контакты) и создание быстродействующих диодов и транзисторов (выпрямляющие контакты). Тип контакта полупроводник - металл (п/п - Ме) определяется работой выхода электронов из металла в полупроводник, типом проводимости полупроводника и концентрацией примесей в нем. Сопутствующими факторами являются знак и плотность поверхно­ст­но­го заряда на границе раздела.

Выпрямляющий контакт характеризуется нелинейной ВАХ, следовательно прямое сопротивление контакта (при подаче прямого напряжения смещения) меньше обратного.

Для получения выпрямляющего контакта между металлом и полупро­водником n–типа проводимости работа выхода электронов из металла, j_м, должна быть больше, чем у полупроводника, j_п, то есть разность работ выхода j_мп=j_м – j_п должна быть больше нуля (j_мп>0). Вели­чину j_мп называют контактной разностью потенциалов. В этом случае при образовании контакта часть электронов переходит из полупроводника в металл; в полупроводнике появляется обедненный слой, содержащий положительный заряд ионов доноров. В обедненном слое возникает электриче­ское поле, препятствующее диффузии электронов к контакту (рис. 7.3, а).

Рис.7.3

В контакте металла с полупроводником p-типа работа выхода электронов из металла должна быть меньше, чем из полупроводника, то есть контактная разность потенциалов j_мп<0. При этом электроны из металла переходят в полупроводник, что приводит к уменьшению концентрации дырок в его приповерхностной области (рис. 7.3, б).

На зонных диаграммах рис. 7.3 изгиб зон вверх в полупроводнике n-типа (рис. 7.3, а) и вниз в полупроводнике p-типа (рис. 7.3, б) соответствует уменьшению концентрации основных носителей, образованию обедненных слоев и потенциальных барьеров j_кn для электронов и j_кp для дырок, переходящих из полупроводника в металл.

Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шотки. Его высота j_кn для электронов и j_кp для дырок является аналогом величины j_к в p-n переходе. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения высота этого барьера и, соответственно, сопротивление приконтактного слоя будут меняться.

Теоретическая оценка высоты барьера j_мп сложна; на практике используются экспериментальные величины j_мп. Например, при контакте Al c n-Si высота барьера j_мп=0,72 В, а при контакте Al c p-Si высота барьера j_мп=0,58 В. Для других металлических покрытий (Au, Ag, Pt, W, PtSi, WSi) при контакте с Si или GaAs эта величина составляет 0,4…0,9 В.

Равновесная ширина l обедненного слоя контакта п/п – Ме, такая же как и для резко несимметричного p-n перехода . Чем выше высота барьера, тем больше ширина обедненного слоя.

В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения высота барьера j_кn для электронов и j_кp для дырок со стороны полупроводника будут меняться. Соответственно, будет изменяться и сопротивление приконтактного слоя.

При этом подача отрицательного потенциала U на n-полу­про­вод­ник или положительного – на p-полупроводник соответствует прямому напряжению на контакте п/п – Ме. Смена полярности приложенного напряжения соответствует включению обратного смещения.

Например, в контакте n-п/п – Ме при включении прямого напряжении U (плюсом к металлу, минусом к полупроводнику) уровень Ферми в металле, j_Fм, понижается относительно уровня Ферми в полупроводнике, j_Fn, на величину U, следовательно высота потенциального барьера, препятствующего переходу электронов из полупроводника в металл, уменьшается и становится равной j_к – U. При включении обратного напряжения (минусом к металлу) уровень Ферми j_Fм повышается относительно j_Fn на величину U, поэтому высота потенциального барьера со стороны n-полупроводника увеличивается и становится равной j_к +U. Величина контактной разности потенциалов j_мп при этом остается неизменной.

Таким образом, контакты, показанные на рис. 7.3, обладают выпрямляющими свойствами и могут быть основой диодов. Диоды, использующие барьеры Шотки, называют диодами Шотки. ВАХ выпрямляющего контакта аппроксимируется уравнением:

,

где 10^-15 А/м² – плотность тока насыщения (уравнение Ричардсона), B≈1,1∙10⁶ A/(м∙K)²- коэффициент, φ_мп –высота барьера металл-полупроводник.

Невыпрямляющий (омический) контакт используется практически во всех полупроводниковых приборах для формирования внешних выводов от полупроводниковых областей; для него характерны близкая к линейной ВАХ и малое сопротивление.

Для получения омического контакта межу металлом и полупроводником n- типа проводимости разность работ выхода j_мп<0 (т. е. работа выхода электронов из металла,j_м, должна быть меньше работы выхода из полупроводника,j_п), а между металлом и полупроводником p-типа проводимости разность работ выхода j_мп>0 (т. е. j_м>j_п ). В первом случае электроны будут переходить из металла в полупроводник и зоны искривятся "вниз" (рис. 7.4, а), а во втором случае электроны будут переходить из полупроводника в металл и зоны искривятся "вверх" (рис. 7.4, б). В таких контактах вблизи границы в полупроводнике накапливаются основные носители, то есть получаются обогащенные зоны.

Наличие обогащенного слоя означает, что сопротивление контакта определяется нейтральным слоем полупроводника и, следовательно, не зависит ни от величины, ни от полярности приложенного напряжения. Иными словами, в этом случае потенциальные барьеры для движения носителей тока со стороны полупроводника и металла практически отсутствуют.

Рис.7.4

Следует еще раз подчеркнуть, что реально в полупроводниках электронного типа проводимости существует отрицательный поверхностный заряд, плотность которого, отнесенная к заряду электрона, составляет от 10¹²…10¹⁶ м^-2 (для кремния) до 10¹⁵ м^-2 (для арсенида галлия). Под действием этого заряда электроны выталкиваются из приповерхностного слоя полупроводника, что так же способствует образованию обеденного слоя. Поэтому высота барьера j_мп определяется не только разностью работ выхода, но и плотностью поверхностного заряда, а при очень высокой плотности поверхностного заряда (например, в арсениде галлия) практически не зависит от вида металла.