Контакт напівпровідника і металу

Розглянемо тепер контакт напівпровідника з металом (рис. 61а). На рисунку 61б показано енергетичну схему металу (М) та напівпровідника (Н) донорного типу до встановлення рівноваги у припущенні, що термодинамічна робота виходу металу вище роботи виходу напівпровідника .

Встановлення рівноваги між металом та напівпровідником, як і між двома металами, відбувається шляхом обміну електронами. Рівень Фермі у напівпровіднику розташований вище, ніж у металі, тому потік електронів із напівпровідника буде у початковий момент переважати над потоком із металу. Внаслідок цього метал почне заряджатися негативно і його рівень Фермі буде підніматися, а напівпровідник почне заряджатися позитивно і його рівень Фермі буде опускатися. Рівновага досягається при встановленні цих рівнів на одній висоті і супроводжується виникненням потенційного бар’єру для електронів, що йдуть з напівпровідника у метал (рис. 61в):

. (296)

Відмінність випадку, що розглядається, від контакту двох металів полягає у тому, що напівпровідник має, як правило, значно меншу концентрацію вільних електронів, ніж метал. Внаслідок цього товщина шару напівпровідника, з якого виходять електрони, може виявитися у багато разів більшою, ніж у металі. Зробимо грубу оцінку товщини цього шару для напівпровідника з концентрацією донорної домішки .

Якщо напівпровідник і метал привести у безпосередній контакт, зблизивши їх на відстань порядку параметра гратки (рис. 61г) , то число електронів, яке повинно перейти із напівпровідника на кожний квадратний метр поверхні металу, дорівнює: . У атомному шарі напівпровідника міститься донорних атомів, тому для одержання такої кількості електронів необхідно іонізувати усі донорні атоми приблизно атомних шарів напівпровідника. Тому поверхневий шар напівпровідника значної товщини виявляється збідненим електронами (рис. 61г). У ньому утворюється нерухомий позитивний заряд іонізованих донорів, який забезпечує вирівнювання хімічних потенціалів напівпровідника та металу. Цей шар звуть запірним. У ньому і зосереджується контактне поле, викликане контактною різницею потенціалів (рис. 61д). Причому:

Рис. 61. Контакт напівпровідника -типу з металом.

. (297)

У нашому випадку .

Виникнення контактного поля

Середня напруженість контактного поля дорівнює: . При і : . Це на три порядки нижче напруженості внутрішнього поля кристала, що визначає енергетичний спектр напівпровідника. Тому контактне поле не може помітно вплинути на структуру цього спектру (на ширину забороне-

ної зони, на енергію активації домішок і т.д.) Його дія зводиться лише до скривлення усіх енергетичних рівнів напівпровідника. Пояснимо це.

У відсутності контактного поля енергетичні рівні напівпровідника зображуються горизонтальними прямими. Цим виражається той факт, що енергія електрона, що знаходиться на даному рівні, в усіх точках напівпровідника одна і таж. Вона не залежить від координат електрона. При наявності контактної різниці потенціалів картина змінюється: у шарі, в якому зосереджене контактне поле, енергія стає функцією координат електрона.

Розглянемо, наприклад, характер зміни енергії електрона, що знаходиться на дні зони провідності, при переміщенні його у напрямку, протилежному вісі Х (рис. 61д). До тих пір, поки електрон знаходиться поза контактним полем, його енергія не залежить від координати Х і дно зони провідності зображується горизонтальною прямою. У шарі об’ємного заряду на електрон діє сила, що прагне виштовхнути його з шару. Переборювання цієї сили потребує затрати роботи, яка переходить у потенційну енергію електрона. Тому по мірі переміщення електрона всередині шару об’ємного заряду його потенційна енергія збільшується та сягає максимального значення на границі напівпровідника.

Вплив зовнішнього поля

Під дією зовнішньої різниці потенціалів , прикладеної у прямому напрямку, потенційний бар’єр знижується до величини

. (298)

При прикладені до контакту зовнішньої різниці потенціалів у запірному напрямку усі рівні напівпровідника опускаються вниз і потенційний бар’єр підвищується до величини

. (299)

Об’єднуючи (298) та (299), одержимо:

. (300)

Підставляючи у (297) замість , знаходимо:

. (301)

Із (301) видно, що зовнішня різниця потенціалів , прикладена у прямому напрямку, зменшує товщину запірного шару, а прикладена у запірному напрямку – збільшує.

Випрямлення на контакті

У рівноважному стані контакту напівпровідника з

металом потоки електронів із металу у напівпровідник та навпаки однакові, а обумовлені ними струми та рівні за величиною та протилежні за напрямком (рис. 62):

. (302)

Результуючий струм через контакт .

Прикладення до контакту зовнішньої різниці потенціалів у прямому напрямку залишає незмінним потік електронів, що протікає із металу у напівпровідник, а потік електронів у зворотньому напрямку збільшується у разів. У відповідності з законом Больцмана бар’єр висотою здатне подолати у разів більше число електронів, ніж бар’єр висотою . Тому у контакті виникає прямий струм, спрямований від металу до напівпровідника, що дорівнює:

. (303)

Рис. 62. Випрямлення на контакті напівпровідника з металом.

При прикладені до контакту зовнішньої різниці потенціалів у запірному напрямку потік електронів, які ідуть із напівпровідника у метал, зменшується у разів внаслідок збільшення для них потенціального бар’єру з до . Потік електронів із металу у напівпровідник залишається незмінним. Це приводить до виникнення струму у запірному напрямку (зворотнього струму), що дорівнює:

. (304)

Об’єднуючи (303) та (304), одержимо:

. (305)

- рiвняння статистичної вольтамперної характеристики контакту.

На рисунку 63 кривою 1 показано графiк цiєї характеристики, з якого видно, що контакт напiвпровiдника з металом, який приводить до утворення запiрного шару, володiє практично одностороньою провiднiстю: при однаковій величинi прикладеної напруги струм у прямому напрямку в багато разiв вище струму у зворотньому напрямку. У цьому полягає випрямляюча властивiсть такого контакту.