Контакт полупроводников с одним типом

Электропроводности

Контакт полупроводников с одним типом электропроводности, но с разной удельной проводимостью обозначают как р⁺-р-или п⁺-п-переход, причем знаком "+" отмечают область полупроводника с большей концентрацией примесей (рис. 1.8).

Вблизи такого контакта происходят процессы, аналогичные процессам в электронно-дырочном переходе, то есть носители из области с большей концентрацией диффундируют в область с меньшей концентрацией. При диффузии в сильнолегированной области нарушается компенсация заряда ионизированных примесей, а в слаболегированной - создается избыток основных носителей заряда (рис. 1.8, в). Таким образом, на контакте двух полупроводников с одним типом электропроводности, но разной удельной проводимостью также образуется область объемного заряда, диффузионное поле и контактная разность потенциалов. В данном случае в слаболегированной области объемный заряд образован избыточной концентрацией основных носителей заряда.

Рис. 1.8. Контакт полупроводников с одним типом

электропроводности: а - структура контакта;

б - энергетическая диаграмма контакта; в - зависимости

концентрации примесей и концентрации носителей заряда

от координаты

Распределение носителей заряда вблизи контакта полупроводников с одним типом электропроводности (рис. 1.8, в) показывает, что в данном случае отсутствует слой с меньшей концентрацией по сравнению с концентрацией носителей в слаболегированной области, то есть отсутствует высокоомный слой. Из-за этого при прохождении тока на таком контакте падает сравнительно небольшое напряжение, высота его потенциального барьера практически не изменяется от величины и направления тока. Следовательно, контакт двух полупроводников с одним типом электропроводности не обладает выпрямляющими свойствами и имеет малое сопротивление по сравнению с сопротивлением слаболегированной области.

Другой особенностью контакта двух полупроводников с одним типом электропроводности является отсутствие инжекции неосновных носителей заряда в слаболегированную высокоомную область. Действительно, если внешнее напряжение приложено плюсом к высокоомной п-области п⁺-п-перехода, что аналогично прямому включению р-п-перехода, то при этом из п⁺-области в п-область вводятся электроны, которые являются основными носителями. При противоположной полярности дырочный ток из п⁺-области в п-область аналогичен обратному току через р-п-переход. Однако из-за ничтожно малой концентрации неосновных носителей заряда в сильнолегированной п⁺-области инжекция дырок в высокоомную п-область также оказывается ничтожно малой.

Невыпрямляющие и неинжектирующие контакты широко используют в полупроводниковых приборах наряду с выпрямляющими и инжектирующими.

Промежуточное положение между р⁺-р- или п⁺-п- и р-п-переходом занимают р-i- или п-i-переходы. Такие переходы образуются между двумя полупроводниками, один из которых имеет электронную или дырочную электропроводность, а другой - собственную.

На рис. 1.9 показаны энергетическая диаграмма и изменение концентраций на границе полупроводников с р- и i- областями. Вследствие разности концентраций носителей заряда в р- и i-областях происходит инжекция дырок из р-области в i-область и электронов из i-области в р-область.

В виду малой величины инжекционной составляющей электронного тока потенциальный барьер на границе перехода создается неподвижными отрицательными ионами акцепторов р-области и избыточными дырками i-области, диффундирующими в нее из р-области. Поскольку p_po >> p_i, глубина распространения запирающего слоя в i-области значительно больше, чем в р-области.

Рис. 1.9. Энергетическая диаграмма р-i-перехода

и изменение концентраций на границе полупроводников

с р-и i-областями

1.3. Контакт металл – полупроводник

В современных полупроводниковых приборах помимо контактов с электронно-дырочным переходом применяются также контакты между металлом и полупроводником. Процессы в таких переходах зависят от так называемой работы выходаэлектронов, т. е. от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов может выйти из данного тела.

В случае контакта металл – полупроводник возможны различные комбинации (p‑ и n‑типы полупроводника) и соотношения термодинамических работ выхода из металла и полупроводника. В зависимости от этих соотношений в области контакта могут реализоваться три состояния. Первое состояние соответствует условию плоских зон в полупроводнике, в этом случае реализуется нейтральный контакт. Второе состояние соответствует условию обогащения приповерхностной области полупроводника (дырками в p‑типе и электронами в n‑типе), в этом случае реализуется омический контакт. И наконец, в третьем состоянии приповерхностная область полупроводника обеднена основными носителями, в этом случае в области контакта со стороны полупроводника формируется область пространственного заряда ионизованных доноров или акцепторов и реализуется блокирующий контакт, или барьер Шоттки.

В полупроводниковых приборах наибольшее применение получили блокирующие контакты металл – полупроводник, или барьеры Шоттки. Рассмотрим условие возникновения барьера Шоттки. Ток термоэлектронной эмиссии с поверхности любого твердого тела определяется уравнением Ричардсона:

. (1.4)

где А – постоянная Ричардсона; Ф - термодинамическая работа выхода это энергия Ферми с обратным знаком, ; Т - температура; k - постоянная Больцмана.

Для контакта металл – полупроводник n‑типа выберем условие, чтобы термодинамическая работа выхода из полупроводника Ф_п/п была меньше, чем термодинамическая работа выхода из металла Ф_Ме. В этом случае согласно уравнению (1.4) ток термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника j_п/п будет больше, чем ток термоэлектронной эмиссии с поверхности металла:

.

При контакте таких материалов в начальный момент времени ток из полупроводника в металл будет превышать обратный ток из металла в полупроводник и в приповерхностных областях полупроводника и металла будут накапливаться объемные заряды – отрицательные в металле и положительные в полупроводнике. В области контакта возникнет электрическое поле, в результате чего произойдет изгиб энергетических зон. Вследствие эффекта поля термодинамическая работа выхода на поверхности полупроводника возрастет. Этот процесс будет проходить до тех пор, пока в области контакта не выравняются токи термоэлектронной эмиссии и соответственно значения термодинамических работ выхода на поверхности.

На рис. 1.10 показаны зонные диаграммы различных этапов формирования контакта металл – полупроводник. В условиях равновесия в области контакта токи термоэлектронной эмиссии выравнялись, вследствие эффекта поля возник потенциальный барьер, высота которого равна разности термодинамических работ выхода: j_к = Ф_Ме – Ф_п/п.

Для контакта металл – полупроводник p-типа выберем условие, чтобы термодинамическая работа выхода из полупроводника Ф_п/п была больше, чем термодинамическая работа выхода из металла Ф_Ме. В этом случае ток термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника j_п/п будет меньше, чем ток термоэлектронной эмиссии с поверхности металла, согласно уравнению (1.4).

При контакте таких материалов в начальный момент времени ток из металла в полупроводник p‑типа будет превышать обратный ток из полупроводника в металл и в приповерхностных областях полупроводника и металла будут накапливаться объемные заряды – положительные в металле и отрицательные в полупроводнике.

Рис. 1.10. Зонная диаграмма, иллюстрирующая образование барьера Шоттки

В дальнейшем картина перехода к равновесному состоянию и формирования потенциального барьера для контакта металл – полупроводник p‑типа аналогична рассмотренной выше для контакта металл – полупроводник n‑типа.

Если в контакте металла с полупроводником п-типа (рис. 1.11, а)работа выхода электронов из металла Ф_М меньше, чем работа выхода из полупроводника Ф_П, то будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник. Поэтому в слое полупроводника около границы накапливаются основные носители (электроны), и этот слой становится обогащенным, т. е. в нем увеличивается концентрация электронов. Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения, и, следовательно, такой переход не обладает выпрямляющими свойствами. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом.

Ф_М < Ф_П

а

Ф_П < Ф_М

б

Рис. 1.11. Образование омических контактов

металл-полупроводник

Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником р-типа (рис. 1.11, б), если работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем из металла (Ф_П < Ф_М). В этом случае из полупроводника в металл уходит больше электронов, чем в обратном направлении, и в приграничном слое полупроводника также образуется область, обогащенная основными носителями (дырками), имеющая малое сопротивление. Оба типа невыпрямляющих контактов широко используются в полупроводниковых приборах при устройстве выводов от п- и р-областей. Для этой цели подбираются соответствующие металлы.

Омические переходы, обладающие повышенной по сравнению с объемом полупроводника удельной проводимостью, не обладают выпрямляющими свойствами. При подключении прямого и обратного напряжения изменяется лишь степень обогащения основными носителями приконтактного слоя.

Для омических контактов характерны следующие особенности:

- близкая к линейной вольт-амперная характеристика. Вольт-амперная характеристика омического контакта должна подчиняться закону Ома I = U/R вне зависимости от полярности приложенного напряжения. Контакт, имеющий линейную вольт-амперную характеристику, не выпрямляет протекающий через него переменный ток, то есть является невыпрямляющим. Таким образом, омический контакт должен иметь линейную и симметричную вольт-амперную характеристику;

- омический контакт должен быть неинжектирующим, то есть через омический контакт должна отсутствовать инжекция неосновных носителей заряда в прилегающую область полупроводника, накопление неосновных носителей в омическом переходе или вблизи него;

- омические контакты должны иметь минимальное электрическое сопротивление, не зависящее от направления и значения тока в рабочем диапазоне токов;

- металл перехода должен обладать высокой электро- и теплопроводностью и температурным коэффициентом расширения (ТКР), близким к ТКР полупроводника;

- омические контакты должны иметь стабильные электрические и механические свойства.

Обычно для создания омического контакта используют следующие металлы: свинец, олово и их сплавы, золото, алюминий.

1.4. Гетеропереходы

Гетеропереходом называют контакт между двумя полупроводниковыми материалами, имеющими различную ширину запрещенной зоны, например pGe – nGaAs. Теорию таких переходов разработал в 1951 году А.И. Губанов (Россия), а позднее У. Шокли (США). Академик Ж.И. Алферов (Россия) удостоен Нобелевской премии (2000 г.) за исследование гетеропереходов и создание на их основе новых приборов.

Отличие гетеропереходов от обычного p‑n-перехода заключается в том, что в обычных p‑n-переходах используется один и тот же вид полупроводника, например pSi – nSi. Поскольку в гетеропереходах используются разные материалы, необходимо, чтобы у этих материалов с высокой точностью совпадали два параметра: температурный коэффициент расширения (ТКР) и постоянная решетки. С учетом сказанного количество материалов для гетеропереходов ограничено. Наиболее распространенными из них являются германий Ge, арсенид галлия GaAs, фосфид индия InP, четырехкомпонентный раствор InGaAsP.

Если имеются два различных полупроводника, то возможны четыре типа гетеропереходов в зависимости от характера примесей в этих полупроводниках: p₁‑n₂, n₁‑p₂, n₁‑n₂, p₁‑p₂.

В зависимости от ширины запрещенной зоны E_g, электронного сродства c и типа легирования узкозонной и широкозонной областей гетероперехода возможны различные комбинации E_g и c. На рис. 1.12 показаны эти комбинации при условии равенства термодинамических работ выхода.

Рис. 1.12. Зонные диаграммы гетеропереходов при различных комбинациях E_g и c в случае равенства термодинамических работ выхода Ф₁ = Ф₂

На рис. 1.13 приведена зонная диаграмма гетероперехода pGe – nGaAs, в котором ширина запрещенной зоны у дырочного полупроводника Ge меньше, чем у электронного полупроводника GaAs. Отличительным признаком диаграммы гетероперехода является разрыв энергетических уровней в валентной зоне DE_V и зоне проводимости DE_C. Величина разрыва зависит от соотношения запрещенных зон E_g1 и E_g2 и от разности энергий сродства к электрону. В отличии от обычных переходов в гетеропереходах высота энергетического барьера для электронов отличается от высоты энергетического барьера для дырок. В данном случае высота энергетического барьера для электронов меньше, чем для дырок. Высота барьера для электронов зависит от величины разрыва зоны проводимости DE_C. В обоих направлениях для электронов имеется барьер, созданный разностью энергии сродства к электрону и потенциальным пиком. При этом перед потенциальным пиком слева имеется потенциальная яма, обычно заполненная электронами. Если ширина потенциального пика незначительна, электроны могут преодолевать его туннелированием. Для дырок, перемещающихся слева, рассматриваемый гетеропереход представляет большой потенциальный барьер. В противоположном направлении дырки перемещаются беспрепятственно.

Рис. 1.13. Зонная диаграмма гетероперехода

pGe – nGaAs в равновесных условиях

Рассмотрим зонную диаграмму гетероперехода из этих же материалов (германия и арсенида галлия), но с другим типом проводимости – pGaAs – nGe (рис. 1.14). Получаем, что в этом случае “разрыв” наблюдается в энергетическом положении дна зоны проводимости и величина этого «разрыва» DE_C равна .

«Пик» наблюдается в области металлургического перехода для энергии вершины валентной зоны E_V. Величина «пика» DE_V равна

.

Аналогичным образом можно построить зонные диаграммы для гетеропереходов при любых комбинациях уровней легирования, ширины запрещенной зоны и электронного сродства.

Рис. 1.14. Зонная диаграмма гетероперехода

nGe – pGaAs в равновесных условиях

На рис. 1.15 приведены соответствующие зонные диаграммы для различных типов гетеропереходов. Обращает на себя внимание тот факт, что «пик» и «разрыв» для энергетических уровней E_V, E_C в области металлургического перехода могут наблюдаться в различных комбинациях.

Рис. 1.15. Зонные диаграммы для различных типов гетеропереходов при условии, что термодинамическая работа выхода первого слоя меньше, чем второго (Ф₁ < Ф₂),

и при различных комбинациях для электронного сродства (пояснения на рисунках)

МДП-структура

Структуры металл – диэлектрик – полупроводник, или сокращенно МДП‑структуры, широким интересом к изучению их физических свойств обязаны появлению планарной технологии и развитию нового класса полупроводниковых приборов, работающих на основе эффекта поля, таких как приборы с зарядовой связью, полевые транзисторы с изолированным затвором, репрограммируемые элементы памяти с плавающим затвором и т.п. МДП‑структуры позволяют анализировать основные процессы, протекающие в такого рода приборах, и являются чрезвычайно удобными объектами исследования. Устройство МДП‑структуры следует из ее названия.

МДП-структура представляет собой монокристаллическую пластину полупроводника, называемую подложкой, закрытую с планарной стороны диэлектриком. Металлический электрод, нанесенный на диэлектрик, носит название затвора, а сам диэлектрик называется подзатворным. На обратную непланарную сторону полупроводниковой пластины наносится металлический электрод, называющийся омическим контактом. Довольно часто в качестве диэлектрика в МДП-структурах используют оксиды, поэтому вместо МДП употребляется название МОП‑структура.

Итак, МДП‑структура, приведенная на рис. 1.16, состоит из затвора, подзатворного диэлектрика, полупроводниковой подложки и омического контакта.

Рис. 1.16. Устройство МДП‑структуры:1 – затвор,

2 – подзатворный диэлектрик; 3 – полупроводниковая подложка; 4 – омический контакт

МДП-структура имеет два вывода - затвор и контакт к подложке и является МДП-конденсатором, емкость которого зависит от напряжения между затвором и выводом подложки. В случае, когда в качестве диэлектрика используется оксид, такую структуру называют МОП-структурой.

При подаче напряжения на затвор у поверхности металла и полупроводника, как у всякого конденсатора накапливаются заряды. Если полупроводник п-типа и к нему приложен положительный потенциал, то у поверхности скапливается отрицательный заряд избыточных электронов. Приповерхностный слой полупроводника при этом обогащается электронами. При другой полярности напряжения, то есть к затвору приложен отрицательный потенциал, у поверхности полупроводника отсутствуют подвижные носители заряда – электроны, они уходят в глубь полупроводника. Приповерхностный слой полупроводника при этом обедняется основными носителями. Заряд у поверхности полупроводника представляет собой неподвижные ионы обедненной примеси. По мере уменьшения концентрации электронов у поверхности с ростом приложенного напряжения, концентрация дырок возрастает. При некотором напряжении концентрация электронов будет равна концентрации дырок. При этом удельная электропроводность на поверхности равна собственной электропроводности рассматриваемого полупроводника. Дальнейшее увеличение отрицательного напряжения приведет к появлению инверсного дырочного слоя у поверхности.

Изменение концентрации свободных носителей в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля получило название эффекта поля.

Напряжение на затворе при котором у поверхности полупроводника появляется инверсный слой называется пороговымнапряжением.