double arrow

Выпрямляющие контакты металл-полупроводник

На рис.1. построена энергетическая диаграмма для выпрямляющего контакта металл – широкозонный (Δ W >1эВ) электронный полупроводник, когда термодинамическая работа выхода P м> P n. После осуществления плотного контакта между полупроводником и металлом начинается интенсивный обмен электронами, при этом преимущественный поток будет направлен из полупроводника в металл, так как энергия электронов в полупроводнике больше, чем в металле. В результате поверхность металла будет заряжаться отрицательно, а поверхность полупроводника – положительно и между металлом и полупроводником возникнет контактная разность потенциалов φ0, которая стремится уравновесить встречные потоки электронов. За счет возникновения контактной разности потенциалов уровень Ферми в полупроводнике опустится и совпадет с уровнем Ферми в металле.

Появление контактной разности потенциалов эквивалентно увеличению работы выхода из полупроводника в металл на величину ψ. Поэтому величина ψ, соответствующая равновесному состоянию, определяется как разность термодинамических работ выхода ψ= P мP n. В рассматриваемом примере в поверхностном слое полупроводника шириной d образуется запорный (обедненный) слой с повышенным сопротивлением, в котором мало электронов, а положительный заряд обусловлен наличием ионизированных атомов доноров. Малая концентрация электронов вблизи контакта характеризуется увеличением расстояния между уровнем Ферми W F и дном зоны проводимости W c(x). Поэтому для обедненного контакта границы энергетических зон полупроводника на рис.1. изгибаются вверх.

Искривление энергетических зон свидетельствует о наличии электрического поля Е к вблизи поверхности полупроводника. Это поле не может повлиять на ширину запрещенной зоны Δ W и внешнюю работу выхода Р с (сродство к электрону), поскольку даже при малой глубине проникновения d ~10–6 см величина этого поля не превышает ~106 В/см, в то время как напряженность внутриатомных полей, от которых зависят указанные величины, оказывается порядка 108 В/см. Поэтому после осуществления плотного контакта величины Δ W и Р с на энергетической диаграмме должны остаться неизменными. По этой причине линия W =0, соответствующая энергии свободного электрона, также искривляется, как показано на рис.1.

Концентрация свободных электронов в полупроводнике по мере приближения к контакту убывает по закону

 
 

.

Из рис.1. видно, что W c(x)– W FW Fn+ψ(x), где D W Fn= kT ln(N c/ N d). Используя это соотношение для n (x) получим

, (1)

где n 0= N d – равновесная концентрация электронов в глубине полупроводника. При ψ=2.3 kT ≈60 мэВ концентрация электронов равна 0.1 n 0. Обычно контактная разность потенциалов лежит в интервале ψ=0.3÷1 эВ, поэтому можно считать, что во всей обедненной области d, где |ψ(х)|>0, заряд свободных электронов практически равен нулю и объемный положительный заряд доноров вблизи границы Q d=const. Поэтому величина этого заряда подсчитывается так же как для резкого перехода Q = qN d d.

В вязи с этим ширина обедненного слоя и величина барьерной емкости могут быть определены по формулам для p-n -перехода с резким распределением примеси:

,

.


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



Сейчас читают про: