Контакт полупроводника с металлом
При осуществлении контакта полупроводника с металлом возникает диффузия носителей заряда из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода, в результате чего происходит выравнивание уровней Ферми. В зависимости от соотношения работ выхода полупроводника и металла контакт между ними может быть выпрямляющим и невыпрямляющим (омическим). Выпрямляющий контакт образуется при контакте электронного полупроводника с металлом при условии, что работа выхода полупроводника EОn меньше работы выхода металла EОM, а также при контакте дырочного полупроводника с металлом при условии, что работа выхода дырочного полупроводника EОр больше работы выхода металла EОм.
Рассмотрим выпрямляющий контакт электронного полупроводника с металлом. На рис. 1.66, а представлены энергетические диаграммы полупроводника и металла при отсутствии контакта между ними. Если эти материалы привести в состояние контакта, то вследствие обмена носителями заряда произойдет выравнивание уровней Ферми, полупроводник зарядится положительно, а металл отрицательно. При этом положительный заряд, представляющий собой заряд ионизированных доноров, займет в полупроводнике некоторый слой толщиной Δ0, а отрицательный заряд будет сосредоточен на поверхности металла (рис. 1.66, б). Вследствие этого энергетическая диаграмма примет вид, показанный на рис. 1.66, в, где представлены графики энергетических плотностей электронов Fn(E) и дырок –Fp(E). Под энергетической плотностью дырок в металле следует понимать энергетическую плотность свободных энергетических уровней, расположенных ниже уровня Ферми.
При отсутствии внешнего напряжения существуют энергетические барьеры q*Φ для электронов и q*Ψ для дырок, при этом в ходе теплового движения происходит обмен носителями заряда между металлом и полупроводником, при котором потоки электронов 1 и 2 и потоки дырок 3 и 4 уравновешивают друг друга. Если к контакту приложить внешнее напряжение плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, то барьеры снизятся на величину приложенного напряжения и потоки 1 и 3 возрастут, а потоки 2 и 4 не изменятся. .При противоположной полярности потоки 1 и 3 исчезнут, и через контакт будут перемещаться только небольшие по величине потоки 2 и 4. Токи, создаваемые потоками носителей заряда, можно определить, рассматривая процесс обмена носителями заряда как электронную эмиссию:
,
.
Тогда
,
Результирующий ток будет равен
,
где 
Таким образом, рассматриваемый контакт обладает выпрямительными свойствами; он хорошо пропускает ток в прямом направлении и плохо в обратном направлении. В реальных структурах потоками 3 и 4 можно пренебречь ввиду их малости. В этом случае инжекции дырок в n-полупроводник не происходит, а заряд электронов, вводимых в металл, сосредоточивается на поверхности металла. В отсутствии инжекции состоит принципиальное отличие выпрямляющего контакта полупроводника с металлом от обычного электронно-дырочного перехода. Такой выпрямляющий контакт находит применение в диодах Шотки.
Невыпрямляющий контакт образуется при контакте электронного полупроводника с металлом при условии, что работа выхода полупроводника ЕОп больше работы выхода металла EОм (рис. 1,67, а), а также при контакте дырочного полупроводника с металлом при условии, что работа выхода полупроводника EОр меньше работы выхода металла EОм.
В случае невыпрямляющего контакта электронного полупроводника с металлом вблизи границы раздела в полупроводнике накапливаются основные носители заряда (рис. 1.67, 6) и образуется обогащенный слой, что сопровождается искривлением вниз границ энергетических зон (рис. 1.67, в). Поэтому в ходе теплового движения все электроны полупроводника могут переходить в металл (поток 1), а электроны металла, энергия которых больше Ecn, могут переходить в полупроводник (поток 2). При отсутствии внешнего напряжения потоки 1 и 2 уравновешивают друг друга, поэтому ток через контакт равен нулю. Если на контакт подать внешнее напряжение плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, то правая половина энергетической диаграммы сместится вниз относительно левой диаграммы и количество электронов, переходящих из металла в полупроводнике, уменьшится, поэтому возрастет прямой ток, создаваемый разностью потоков 1 и 2. При противоположной полярности внешнего напряжения возрастает переход электронов из металла в полупроводник (поток 2), поэтому возрастает обратный ток. Таким образом, рассматриваемый контакт одинаково хорошо пропускает ток в прямом и обратном направлениях. При этом следует иметь в виду, что ток через контакт возникает при весьма незначительном приложенном напряжении. Это объясняется тем, что в отличие от обычного р-n-перехода при и = 0 существуют большие потоки 1 и 2, компенсирующие друг друга, которые сильно изменяются при незначительном изменении напряжения, то есть контакт обладает небольшим омическим сопротивлением. В полупроводниковых приборах невыпрямляющий контакт металла с полупроводником применяют для осуществления внешних выводов от полупроводникового кристалла. При этом невыпрямляющий контакт, обладающий низким сопротивлением, включают последовательно с выпрямляющим р-n-переходом, обладающим высоким сопротивлением. Поэтому практически все внешнее напряжение оказывается приложенным к р-n-переходу, и падением напряжения на невыпрямляющем контакте можно пренебречь.
В микроэлектронике наиболее распространенным металлом для невыпрямляющих контактов является алюминий, работа выхода которого меньше работы выхода электронного полупроводника. В этом случае для осуществления не-выпрямляющего контакта электронного полупроводника с металлом поверхность кремния дополнительно легируют донорами, превращая ее в n+ - слой. Концентрация электронов в соответствии с (1.42) определяется разностью между уровнем Ферми и уровнем Еi. Чем больше концентрация легирующей донорной примеси, тем ближе к нижней границе зоны проводимости расположен уровень Ферми, поэтому энергетическая диаграмма контакта принимает вид, показанный на рис. 1.68. В этом случае снижается барьер q*Φ0 и возрастают потоки 1 и 2. При подаче прямого напряжения уменьшается барьер q*Φ0 и возрастает поток 1, следовательно, увеличивается прямой ток. При подаче обратного напряжения барьер q*Φ0 увеличивается, поток 1 уменьшается и возрастает обратный ток, создаваемый разностью потоков 1 и 2. Следовательно, такой контакт одинаково хорошо пропускает ток в прямом и обратном направлениях, то есть является невыпрямляющим. Чем больше концентрация примеси в n+-области, тем меньше сопротивление контакта. Подобного рода контакты используют во всех полупроводниковых приборах для создания внешних выводов от n-областей приборов.
Гетеропереходы
Гетеропереходом называют переход, образованный между двумя полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны. Типичными примерами являются переходы германий — кремний, германий — арсенид галлия, арсенид галлия — фосфид галлия и др. Используемые для создания гетеропереходов полупроводники имеют идентичные кристаллические структуры и близкие значения постоянной кристаллической решетки.
Рассмотрим в качестве примера энергетическую диаграмму гетероперехода, образованного полупроводником n-типа с широкой запрещенной зоной и полупроводником р-типа с узкой запрещенной зоной. На рис. 1.69, а показаны энергетические диаграммы разделенных полупроводников, а на рис. 1.69, б — энергетическая диаграмма контакта. При создании контакта полупроводников происходит совмещение уровней Ферми, но в отличие от обычного р-n-перехода на металлургической границе х0 образуются разрывы ΔEс и ΔEV, равные разности границ зон проводимости и границ валентных зон соответственно. Возникающие вблизи x0 изгибы границ зон обусловлены образованием обедненных слоев (х0—хn) и (хp—х0), содержащих заряды доноров и акцепторов. Величина изгибов q*φ01 и q*φ02 равна внутренней разности потенциалов, образующейся в обедненных слоях. Сумма φ0 = φ01 + φ02 представляет собой контактную разность потенциалов, определяемую разностью уровней Ферми: φ0 = (EF|n - EFp)/q. Для гетероперехода величина φ 0 не совпадает с высотой потенциальных барьеров для электронов и дырок. Высота потенциального барьера для электронов, движущихся из п- в р-область, равна 
, а для дырок, движущихся из р- в n-область, она равна 
.В результате для электронов барьер оказывается ниже, чем для дырок, на величину 
.Поэтому при подаче прямого напряжения будет преобладать инжекция электронов в дырочный полупроводник. Аналогичным образом можно осуществить инжекцию дырок в электронный полупроводник. В этом состоит принципиальное отличие гетероперехода от обычного р-n-перехода.
В обычных p-n-переходах, как правило, всегда имеет место двусторонняя инжекция неосновных носителей заряда: электроны при подаче на переход прямого напряжения инжектируются в дырочную область полупроводникового кристалла, а дырки — в электронную. Изменяя концентрацию примеси в дырочной и электронной областях полупроводникового кристалла, можно получить разный уровень инжекции. Однако полностью исключить инжекцию неосновных носителей заряда в какую-либо область кристалла невозможно. Применение гетеропереходов позволяет получить одностороннюю инжекцию и тем самым существенно улучшить параметры полупроводниковых приборов.
Контрольные вопросы
1. В чем состоит различие между поликристаллами, монокристаллами и аморфными веществами?
2. Как застраиваются электронные оболочки атомов по мере роста порядкового номера химического элемента в периодической таблице Д. И. Менделеева?
3. Поясните основные виды химических связей в материалах.
4. Поясните структуру кристалла алмаза.
5. Что такое кристаллографические плоскости и направления?
6. Как происходит образование энергетических зон?
7. В чем состоит различие зонных структур проводников, полупроводников и диэлектриков?
8. Поясните смысл уровня Ферми.
9. Как изменяется удельная электрическая проводимость проводников с ростом температуры и частоты?
10. Поясните зависимость удельного электрического сопротивления тонких пленок от их толщины.
11. Что такое удельное поверхностное сопротивление?
12. Что называется температурным коэффициентом удельного сопротивления?
13. Что представляют собой композиционные неметаллические проводниковые материалы?
14. Как классифицируют проводниковые материалы?
15. Какие металлические сплавы высокого сопротивления нашли применение в электронной технике?
16. Чем различаются мягкие итвердые припои?
17. Поясните механизм поляризации диэлектриков.
18. Что такое диэлектрическая проницаемость и как она зависит от частоты и температуры?
19. Поясните механизм спонтанной поляризации.
20. Поясните природу диэлектрических потерь.
21. Поясните механизм пробоя диэлектриков.
22. Что представляют собой полимерные материалы?
23. Что представляют собой пластмассы?
24. Что представляют собой радиокерамические материалы?
25. Как классифицируютрадиоматериалы по реакции на внешнее магнитное поле?
26. Что такое ферриты и где они применяются?
27. Как протекает процесс намагничивания ферромагнетиков?
28. Что такое магнитная проницаемость?
29. Поясните природу магнитных потерь.
30. Приведите примеры магнитомягких материалов и поясните область их применения.
31. Приведите примеры магнитотвердых материалов.
32. В чем состоит различие между собственными и примесными полупроводниками?
33. Как влияет концентрация примеси на положение уровня Ферми.
34. Как изменяется проводимость полупроводников при изменении температуры?
35. Что такое время жизни и диффузионная длина неравновесных носителей заряда?
36. При каких условиях в полупроводнике возникает внутреннее электрическое поле?
37. Поясните механизм протекания тока проводимости и тока диффузии.
38. Как сказывается наличие дефектов кристаллической структуры на энергетической диаграмме полупроводника?
39. Что такое подвижность носителей заряда и как она зависит от напряженности электрического поля?
40. Поясните механизм образования электронно-дырочного перехода.
41. Как влияет внешнее напряжение на высоту потенциального барьера и ширину перехода?
42. От чего зависит концентрация носителей заряда на границах перехода?
43. Нарисуйте вольт-амперную характеристику перехода и напишите ее уравнение.
44. Каковы особенности контакта вырожденных полупроводников?
45. Что такое выпрямляющий и невыпрямляющийконтакты полупроводника с металлом?
46. В чем состоят особенности гетероперехода?