Контакт полупроводника и металла

Рис.4.49. Контакт металла с полупроводником. а – энергетическая диаграмма контакта до образования перехода, б – энергетическая диаграмма перехода.

Рассмотрим теперь контакт металла с полупроводником. Пусть металл М, имеющий работу выхода Ф_м, приведен в контакт с полупроводником П, имеющим работу выхода Ф_п (рис. 8.10). Если Ф_м > Ф_п, (уровень Ферми полупроводника располагается ближе к нулевому уровню вакуума) то электроны будут перетекать из полупроводника в металл до тех пор, пока химические потенциалы и не выровняются и не установится равновесие. Как легко сообразить, механизм движения электронов в этом случае уже не определяется простой диффузией, как в случае p-n перехода. Действительно, концентрация электронов в объеме металла обычно значительно выше концентрации электронов в полупроводнике. Тем не менее, в рассматриваемом случае происходит движение электронов из полупроводника в металл. Причину этого можно понять из рисунка 4.49,а. Несмотря на большую концентрацию, электроны металла не могут переходить в полупроводник, поскольку имеют такую энергию, что попадают либо в запрещенную, либо в валентную зону полупроводника, где им нет места. В полупроводник могут перейти только электроны, имеющие достаточно большую энергию, однако таких электронов (их энергия лежит выше уровня Ферми) в металле очень мало. Для наглядности можно представить, что между металлом и полупроводником существует переходный слой. В этот переходный слой из металла и полупроводника вследствие эмиссии попадают электроны. Поскольку работа выхода из полупроводника меньше, концентрация электронов около полупроводника будет больше, чем около металла. В результате начнется диффузия электронов по направлению к металлу, продолжающаяся до тех пор, пока не возникнет разность потенциалов, препятствующая ей. Уход электронов из полупроводника сопровождается образованием нескомпенсированного положительного заряда ионов примеси в приконтактной области.

Как следует из рисунка,

(5.24)

Рассмотренное обеднение электронами полупроводника в приконтактной зоне нарушает его энергетическую структуру. Как мы видели (см. рис.4.29) изменение концентрации электронов приводит к смещению уровня Ферми. В частности уменьшение концентрации свободных электронов приводит к опусканию уровня Ферми, т.е. увеличению расстояния между уровнем Ферми и уровнем дна зоны проводимости. Поскольку в рассматриваемом случае положение уровня Ферми зафиксировано, то увеличение расстояния между ним и дном зоны проводимости выражается на энергетической диаграмме подъемом уровня дна зоны проводимости и соответственно уровня потолка валентной зоны. Наибольшее отклонение уровней зон будет наблюдаться в месте контакта полупроводника и металла, поскольку здесь наибольшее изменение концентрации электронов. По мере продвижения вглубь полупроводника от контакта концентрация электронов восстанавливается до невозмущенного значения и соответственно восстанавливается взаимное расположение уровня Ферми и энергетических зон.

Таким образом, в контактном слое имеет место изгиб зон на величину j ₀. Легко сообразить, что, если Ф_м > Ф_п, то зоны энергии в приконтактной области будут искривлены кверху, что соответствует понижению концентрации электронов в приконтактной области, т.е. рассмотренному случаю. При Ф_м < Ф_п имеет место обратная ситуация – обогащение приконтактной области полупроводника электронами из металла. Это приведет к искривлению зон книзу.

Обеднение приконтактной области основными носителями заряда, как, например, в электронном полупроводнике при уходе из него электронов при Ф_м > Ф_п или в дырочном при Ф_м > Ф_п сопровождается уменьшением проводимости. Слой с пониженной проводимостью называется запирающим.

Рассмотрим распределение электрических параметров в приконтактной области (рис. 4.50,а). Примем за нулевой уровень потенциала уровень дна зоны проводимости Е_с в невозмущенной области полупроводника, т.е. далеко от места контакта. Предположим, что электрическое поле проникает в приконтактную область полупроводника на некоторую глубину d. В приконтактной области энергия электронов на дне зоны проводимости равна U(x).

Мы для простоты будем считать, что зависимость плотности заряда от координаты имеет простой ступенчатый вид (рис.4.50,б – сплошная линия). Это означает, что на расстоянии d, на которое проникает электрическое поле, из электронного полупроводника свободные электроны полностью уходят в металл, и там остается постоянный положительный заряд, определяемый концентрацией ионов донорной примеси.

. (5.26)

Для области объемного заряда уравнение Пуассона примет вид:

(5.27)

Общим решением для этого уравнения является

(5.28)

Так как поле проникает в полупроводник только на глубину d, то решение (5.28) должно удовлетворять граничным условиям, т.е. в полупроводнике вдали от контакта, на расстоянии d, потенциал, как мы условились равен нулю и поле Е тоже отсутствует. В начале координат в месте контакта потенциал испытывает скачок, который, как мы выяснили равен j ₀(5.24).

(5.29)