1.4.3 Контакт металла с полупроводником
Свойства контакта металла с полупроводником зависят от работы выхода электронов из металла (W0м) и из полупроводника (W0n или W0p). Электроны переходят из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода. При контакте металла с электронным полупроводником при выполнении условия W0n < W0p электроны переходят из полупроводника в металл. Если осуществлен контакт металла с дырочным полупроводником и выполняется условие W0м < W0p, будет происходить переход электронов в полупроводник. И в том, и в другом случае произойдет обеднение свободными носителями заряда приконтактной области полупроводника.
Обедненный слой обладает повышенным сопротивлением, которое может изменяться под воздействием внешнего напряжения. Следовательно, такой контакт имеет нелинейную характеристику и является выпрямляющим. Перенос зарядов в этих контактах осуществляется основными носителями, и в них отсутствуют явления инжекции, накопления и рассасывания зарядов. Таким образом, выпрямляющие контакты металл-полупроводник малоинерционны и служат основой создания диодов с барьером Шоттки, обладающих высоким быстродействием и малым временем переключения.
Если при контакте металла с полупроводником выполняется условие W0м < W0м или W0м > W0p, то приконтактный слой полупроводника обогащается основными носителями заряда и его сопротивление становится низким при любой полярности внешнего напряжения. Такой контакт имеет практически линейную характеристику и является невыпрямляющим.
1.4.4 Омические контакты
Омическими называют контакты, сопротивление которых не зависит от величины и направления тока. Другими словами, это контакты, обладающие практически линейной вольт-амперной характеристикой. Омические контакты обеспечивают соединение полупроводника с металлическими токопроводящими элементами полупроводниковых приборов. Кроме линейности вольт-амперной характеристики, эти контакты должны иметь малое сопротивление и обеспечивать отсутствие инжекции носителей из металлов в полупроводник. Эти условия выполняются путем введения между полупроводником рабочей области кристалла и металлом полупроводника с повышенной концентрацией примеси (рис. 1.19). Контакт между полупроводниками с одинаковым типом электропроводности является невыпрямляющим и низкоомным. Металл выбирают так, чтобы обеспечить малую контактную разность потенциалов. Одним из способов получения омических контактов является введение в металл примеси, которой легирован полупроводник. В этом случае при сплавлении металла с полупроводником в контактной области образуется тонкий слой вырожденного полупроводника, что соответствует структуре, изображенной на рис. 1.19.
Рисунок 1.19 Структура омического контакта.
1.4.5 Явления на поверхности полупроводника
В результате взаимодействия полупроводника и окружающей среды на поверхности кристалла образуются различные соединения, отличающиеся по своим свойствам от основного материала. Кроме того, обработка кристалла приводит к дефектам кристаллической решетки на поверхности полупроводника. По этим причинам возникают поверхностные состояния, повышающие вероятность появления свободных электронов или незаполненных ковалентных связей. Энергетические уровни поверхностных состояний могут располагаться в запрещенной энергетической зоне и соответствовать донорным и акцепторным примесям.
Поверхностные состояния меняют концентрацию носителей заряда, и в приповерхностном слое полупроводника возникает объемный заряд, приводящий к изменению уровня Ферми. Поскольку в состоянии равновесия уровень Ферми во всем кристалле полупроводника одинаков, поверхностные состояния вызывают искривление энергетических уровней в приповерхностном слое полупроводника.
В зависимости от типа полупроводника и характера поверхностных состояний может происходить обеднение или обогащение поверхности кристалла носителями заряда.
Обеднение возникает в том случае, если поверхностный заряд совпадает по знаку с основными носителями заряда. На рис. 1.20 показано образование обедненного слоя на поверхности полупроводника n-типа при такой плотности поверхностных состояний, что уровни Win и Wфn не пересекаются. Повышение плотности пространственного заряда может привести к пересечению уровня Ферми с уровнем середины запрещенной зоны (рис. 1.21), что соответствует изменению типа электропроводности у поверхности полупроводника. Это явление называют инверсией типа электропроводности, а слой, в котором. оно наблюдается, — инверсным слоем.
Рис. 1.20 Образование обедненного слоя на поверхности полупроводника n-типа.
Рис. 1.21 Изменение типа электропроводимости на поверхности полупроводника n-типа.
Если знаки поверхностного заряда и основных носителей противоположны, происходит обогащение приповерхностной области основными носителями зарядов. Такую область называют обогащенным слоем (рис. 1.22).
Электропроводность приповерхностного слоя полупроводника может изменяться под действием электрического поля, возникающего за счет напряжения, прикладываемого к металлу и полупроводнику, разделенным диэлектриком. Если предположить, что до включения напряжения поверхностные состояния на границе полупроводника и диэлектрика отсутствуют, то электропроводности приповерхностного слоя и объема полупроводника будут одинаковыми.
При включении напряжения между металлом и полупроводником возникает электрическое поле, и на поверхности металла и в приповерхностном слое полупроводника, как на пластинах конденсатора, накапливаются заряды. Например, если полупроводник электронный и к нему прикладывается отрицательное напряжение, то под действием электрического поля у
Рисунок 1.22 Образование обогащенного слоя на поверхности полупроводника n-типа.
Рисунок 1.23 График изменения типа электропроводности на поверхности полупроводника.
поверхности увеличиваются концентрация электронов и электропроводность приповерхностного слоя полупроводника (см. рис. 1.22). При изменении полярности напряжения концентрация электронов в приповерхностном слое уменьшается, а дырок — увеличивается. В связи с этим электропроводность приконтактной области уменьшается, стремясь к собственной. Увеличение напряжения приводит к тому, что концентрация дырок становится выше концентрации электронов и происходит изменение (инверсия) типа электропроводности слоя. При этом электропроводность приповерхностного слоя увеличивается. Зависимость электропроводности приповерхностного слоя полупроводника n-типа от напряжения показана на рис. 1.23. Это явление принято называть эффектом поля.
2.3.4. Омические контакты
Обязательным элементом каждого прибора является так называемый омический контакт. Он обеспечивает соединение полупроводникового кристалла с внешним выводом. Омический контакт это обычно контакт металл — полупроводник. В случае контакта металла с полупроводником п — типа при условии, что работа выхода металла меньше работы выхода полупроводника (ФМе < Фпп), или же в случае контакта металла с полупроводником р — типа, когда ФМе > Фпп, вблизи границы образуется слой с повышенной концентрацией основных носителей. Такой переход, обладающий повышенной по сравнению с объемом полупроводника удельной проводимостью, называют омическим, так как он не обладает униполярными 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.
Создание омических контактов представляет собой довольно сложную задачу. Одним из способов улучшения свойств омического контакта является применение в качестве полупроводника п + -п или р + -р-структуры, то есть в качестве омического контакта необходимо использовать структуру т-п + -п или т-р + -р, где через т обозначен слой металла. Типичная структура омического контакта приведена на рис. 2.50.
Рис. 2.50. Зонные диаграммы омического контакта:
а — равновесное состояние; б — обратное напряжение;
в — прямое напряжение
Эта структура состоит из двух переходов: т-п + и п + -п, п + -слой сильно легирован (порядка 10 19 см -3 ). Поскольку степень легирования п + -слоя велика и полупроводник вырожден, то толщина ОПЗ между металлом и п + -полупроводником чрезвычайно мала (2 — 3 нм) и носители заряда беспрепятственно преодолевают барьер за счет туннельного эффекта. п + -слой имеет удельное сопротивление во много раз меньше, чем удельное сопротивление объема полупроводника. Так как приконтактная область будет характеризоваться высокой концентрацией примесей, инжекция неосновных носителей в ней будет ослаблена.
Оба перехода т-п + и п + -п не являются инжектирующими и не обладают вентильными свойствами. В целом структура т-п + -п ведет себя как омическое сопротивление при любой полярности напряжения. Рассмотрим механизм протекания токов. Пусть напряжение приложено минусом к п-области, плюсом к металлу. Тогда потенциалы слоев п + и п повысятся, высота барьера п + -п увеличится, а высота барьера т-п + уменьшится (рис. 2.50, б). Электроны из слоя п будут свободно переходить в слой п + независимо от высоты барьера п + -п, а понижение барьера т-п + обеспечит переход электронов из п + -слоя в т-слой. Пусть теперь напряжение приложено плюсом к п — области. При этом потенциалы п + и п слоев понизятся и высота барьера п + -п сделается меньше; соответственно электроны п + -слоя смогут переходить в п-слой. Барьер т-п + повысится, но так как он очень тонкий, то электроны слоя т будут проходить его за счет туннельного эффекта, как показано на рис. 2.50, в.
Таким образом, важнейшим свойством омического контакта является его двухсторонняя проводимость.
Другое важное свойство связано с ничтожным временем жизни носителей в п + -слое, поскольку он сильно легирован и имеет малое удельное сопротивление. Интенсивная рекомбинация в п + -слое и отсутствие инжекции делают повышение концентрации в области омического контакта редким явлением. Поэтому считают, что концентрация электронов и дырок на омическом контакте имеют равновесные значения.
Омические контакты
Свойства контакта металла с полупроводником зависят от работы выхода электронов из металла (W0м) и из полупроводника (W0n или W0p). Электроны переходят из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода. При контакте металла с электронным полупроводником при выполнении условия W0n < W0p электроны переходят из полупроводника в металл. Если осуществлен контакт металла с дырочным полупроводником и выполняется условие W0м < W0p, будет происходить переход электронов в полупроводник. И в том, и в другом случае произойдет обеднение свободными носителями заряда приконтактной области полупроводника.
Обедненный слой обладает повышенным сопротивлением, которое может изменяться под воздействием внешнего напряжения. Следовательно, такой контакт имеет нелинейную характеристику и является выпрямляющим. Перенос зарядов в этих контактах осуществляется основными носителями, и в них отсутствуют явления инжекции, накопления и рассасывания зарядов. Таким образом, выпрямляющие контакты металл-полупроводник малоинерционны и служат основой создания диодов с барьером Шоттки, обладающих высоким быстродействием и малым временем переключения.
Если при контакте металла с полупроводником выполняется условие W0м < W0м или W0м > W0p, то приконтактный слой полупроводника обогащается основными носителями заряда и его сопротивление становится низким при любой полярности внешнего напряжения. Такой контакт имеет практически линейную характеристику и является невыпрямляющим.
Омическими называют контакты, сопротивление которых не зависит от величины и направления тока. Другими словами, это контакты, обладающие практически линейной вольтамперной характеристикой. Омические контакты обеспечивают соединение полупроводника с металлическими токопроводящими элементами полупроводниковых приборов. Кроме линейности вольтамперной характеристики, эти контакты должны иметь малое сопротивление и обеспечивать отсутствие инжекции носителей из металлов в полупроводник. Эти условия выполняются путем введения между полупроводником рабочей области кристалла и металлом полупроводника с повышенной концентрацией примеси (рис. 1.19). Контакт между полупроводниками с одинаковым типом электропроводности является невыпрямляющим и низкоомным. Металл выбирают так, чтобы обеспечить малую контактную разность потенциалов. Одним из способов получения омических контактов является введение в металл примеси, которой легирован полупроводник. В этом случае при сплавлении металла с полупроводником в контактной области образуется тонкий слой вырожденного полупроводника, что соответствует структуре, изображенной на рис. 1.19.
Рис. 1.19 Структура омического контакта.
Поделиться с друзьями:
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
studopedia.su — Студопедия (2013 — 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление
Генерация страницы за: 0.006 сек.
Тема: Контакт металл – полупроводник
1. Особенности контакта металл-полупроводник. Запорный и омический контакты.
2. Запорный слой и его свойства.
1. Особенности контакта металл-полупроводник. Запорный и омический контакты.
Основное отличие металла от полупроводника — это огромная концентрация электронов.
В месте соприкосновения полупроводникового кристалла п- или р-типа проводимости с металлами возникает контакт «металл- полупроводник».
Происходящие при этом процессы определяются соотношением работ выхода электрона из металла Ам и из полупроводника Ап. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов может выйти из данного тела.
В зависимости от соотношения работ выхода и типа электропроводности полупроводника возможны четыре типичных ситуации при контакте металла и полупроводника:
Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения, и. следовательно, такой переход не обладает выпрямляющим свойством. Его иначе называют невыпрямляющим переходом (или омическим контактом).
2. Ам > Ап полупроводника р-типа. В этом случае будет преобладать выход электронов из полупроводника в металл, при этом в приграничном слое также образуется область, обогащенная основными носителями заряда (дырками), имеющая малое сопротивление. Такой переход также не обладает выпрямляющим свойством.
3. Ам > Ап полупроводник п-типа. При таких условиях электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полупроводника образуется область, обедненная основными носителями заряда и имеющая большое сопротивление.
Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенно зависеть от полярности приложенного напряжения.
4. Ам > Ап полупроводник р-типа. Контакт, образованный при таких условиях обладает выпрямляющим свойством, как и предыдущий.
Отличительной особенностью контакта «металл -полупроводник» является то. что здесь высота потенциального барьера для электронов и дырок разная.
В результате такие контакты могут быть при определенных условиях неинжектирующими, т.е. при протекании прямого тока через контакт в полупроводниковую область не будут инжектироваться неосновные носители, что очень важно для высокочастотных и импульсных полупроводниковых приборов.
Приконтактный слой, обогащенный основными носителями заряда, имеет малое сопротивление (по сравнению с остальным объемом полупроводника) и не обладает свойством выпрямлять переменный электрический ток. Если ток и разность потенциалов от внешнего источника на контакте подчиняются закону Ома, то он называется омическим.
Свойства омических переходов:
Основное назначение омических переходов — электрическое соединение полупроводника с металлическими токоведущими частями полупроводникового прибора. Омических переходов в полупроводниковых приборах больше, чем выпрямляющих.
Омический переход имеет меньшее отрицательное влияние на параметры и характеристики полупроводникового прибора, если выполняются следующие условия:
— если вольтамперная характеристика омического перехода линейна, т.е. омический переход действительно является омическим;
— если отсутствует инжекция неосновных носителей заряда через омический переход в прилегающую область полупроводника и накопление неосновных носителей в омическом переходе или вблизи него;
— при минимально возможном падении напряжения на омическом переходе, т.е. при минимальном его сопротивлении.
2. Запорный слой и его свойства.
В связи с тем, что металл и полупроводник обладают различными электрофизическими свойствами: диэлектрической проницаемостью е, шириной запрещенной зоны (у металла ее нет, а у полупроводника она есть) и работой выхода , контакт между ними может быть как выпрямляющим, так и невыпрямляющим — омическим.
Проводимость в контактах металл-полупроводник осуществляется носителями одного знака (монополярная проводимость). В результате предел применимости их по частоте выше, чем для А-п-переходов.
Выпрямляющие контакты используются для изготовления диодов (диоды Шоттки) способных выполнять различные функции в широком диапазоне частот, а с помощью невыпрямляющих контактов осуществляется подключение полупроводниковых приборов к внешней электрической цепи. Различные свойства указанных контактов зависят от соотношения между термодинамическими работами выхода из металла Ам и полупроводника Ап.
Процесс протекания тока через выпрямляющий контакт существенно зависит от того, испытывают ли электроны соударения при прохождении через запорный слой или нет. Первый случай реализуется тогда, когда длина свободного пробега I электрона меньше толщины запорного слоя d, а второй при обратном соотношении. В соответствии с этим существует две теории выпрямления: диффузионная (I<
В обоих случаях в прямом смещении ток через диод определяется:
Для большинства реальных контактов идеальная ситуация, рассмотренная ранее, никогда не достигается. Это связано с тем, что поверхность полупроводника всегда может содержать тонкий диэлектрический слой окисла, молекулы воды, ионы различных веществ, а также другие органические и неорганические загрязнители. По этой причине ВАХ реальных полупроводниковых приборов на основе контакта металл-полупроводник (диодов Шоттки) может не совпадать с теоретической.
Работа диодов Шоттки основана на переносе основных носителей заряда. Перенос зарядов в барьере Шоттки осуществляется в основном за счёт термоэлектронной эмиссии в отличие от р-п-перехода, где перенос осуществляется за счёт инжекции и диффузии неосновных носителей заряда.
Напряжение, приложенное к диоду Шоттки, непосредственно управляет потоком заряда, преодолевающих потенциальный барьер. Действительно, при прямом смещении электроны из полупроводника переходят в металл. В момент перехода их энергия превосходит энергию основной массы электронов металла на величину энергии прёодолённого барьера.
Однако спустя короткое время, порядка с, за счёт со ударений они теряют избыток энергии. Это исключает их возвращение в полупроводник и предопределяет практически без инерционное (без задержки) участие в дальнейших процессах, обусловленных изменением внешнего напряжения. Поэтому диоды Шоттки являются наиболее высокочастотными.
Обратный ток реального барьера Шоттки больше чем идеального, определяемого формулой. При отрицательном напряжении процессы переноса имеют обратное направление. Идеальной моделью учитывается только ток, создаваемый переносом электронов из металла в полупроводник.
1. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники: Учеб. пособие для вузов / — 2-е изд., перераб. и доп. — М.Лаборатория Базовых Знаний, 2004. — 488 с: ил. I
2. Марголин В,И., Жабрев В.А., Тупик В.А. Физические основы микроэлектроники. — М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 400 с.
3. Епифанов Г. И. Физические основы микроэлектроники. М.: «Советское радио», 1971, стр. 376.