Общепрофессиональная дисциплина: Физика твердоготела и твердотельная электроника

1.22. Контакт металл-полупроводник. ВАХ перехода в равновесном состоянии. выпрямление на контакте металл-полупроводник. Электрические характеристики диода с барьером Шоттки.

Контакт металл-полупроводник, так же как и p-n –переход, может выпрямлять переменный ток. На заре радиотехники в качестве выпрямителя использовался металлический штырек, прижатый к природному кристаллу сульфида свинца. Во время второй мировой войны сульфид свинца уступил место кремнию, который служил в качестве выпрямителя в установках радиолокации. Выпрямление улучшается формовкой, которая заключается в нагреве контакта с очень малой площадью большим импульсом тока длительностью порядка 1 с. Под действием этого импульса атомы металла диффундируют из металлического штырька в полупроводник, в результате чего образуется p-n – переход. Этот метод неприменим в случае контактов большой площади, которые используются в счетчиках с поверхностным барьером для детектирования частиц высокой энергии в ядерной физике и физике элементарных частиц. С этой целью золото из парообразного состояния осаждается на кремний, образуя тонкий слой на одной поверхности кристалла. Затем кристалл несколько дней выдерживается на воздухе, в результате чего при поглощении молекул кислорода образуется электрический дипольный слой, который отбрасывает основные носители от поверхности внутрь полупроводника. Тем самым на поверхности формируется область, обедненная носителями, которая называется барьеров Шоттки.

Рассмотрим 2 случая, представляющие практический интерес: в первом мы полностью пренебрегаем вкладом диффузии в значение плотности тока, а во втором пренебрегаем вкладом электрического поля.

Р-м 1 случай в применении к кремнию и германию. Обозначим через n_b концентрацию носителей в объеме полупроводника. Если к контакту приложено напряжение V, то для плотности тока дырок из полупроводника в металл (или электронов в обратном направлении) имеем:

(1)

где V_D – диффузионный потенциал, характеризующий загиб зоны у поверхности, связанный с отражением от нее носителей. Экспоненциальный множитель – множитель Больцмана. Введем концентрацию носителей на поверхности n_s, которая при V=0 определяется выражением:

(2)

тогда

(3)

Полная плотность тока равна сумме j₁ и плотности тока носителей, движущихся в противоположном направлении j₂:

j=j₁+j₂ (4)

Плотность тока j₂ легко найти из условия j=0 в отсутствие приложенного извне напряжения (V=0). Тогда для полной плотности тока получаем:

(5)

При большом значении обратного напряжения смещения происходит насыщение тока.

Во 2 случае, который применим к селеновому выпрямителю, как и в случае p-n –перехода, имеем:

(6)

При большом обратном напряжении смещения плотность тока

(7)

где E_s – напряженность электрического поля на поверхности:

(8)

Поскольку E_s зависит от V, насыщение тока не происходит.

Электрический переход между металлом и полупроводником может обладать свойством односторонней проводимости (выпрямляющий переход) или подчиняться линейному закону Ома (омический переход). Омический переход применяется для формирования внешних выводов от полупроводниковых областей.

В диоде Шоттки используется электрический переход Шоттки. Этот переход возникает между металлом и полупроводником, если они имеют разные величины работ выхода электронов. Для полупроводника n –типа работа выхода из него должна быть меньше, чем работа выхода из металла, т.е. А_П < А_М (p –тип полупроводника удовлетворяет обратному неравенству).

Процесс образования перехода Шоттки и его энергетическая диаграмма в равновесном состоянии показаны на рис. 1, где - общий энергетический уровень Ферми для данной структуры, - нижняя граница зоны проводимости, - верхняя граница валентной зоны полупроводника. Двойной штриховкой отмечены энергетические состояния, занятые электронами.

Этот процесс состоит из следующих этапов:

1. В начальный момент поток электронов из полупроводника в металл больше, чем в обратном направлении, так как А_П < А_М.

2. Движение электронов вызывает перераспределение зарядов в приграничных областях, что приводит а нарушению электрической нейтральности. В полупроводниковой области «обнажается» нескомпенсированный заряд положительных ионов донорной примеси, а в тонком приповерхностном слое металла появляется избыточный отрицательный заряд электронов.

3. Между противоположными зарядами в приконтактной области возникает внутреннее электрическое поле. Из-за высокой концентрации электронов в металле это поле практически не проникает в него. Поэтому ширина перехода d определяется слоем положительных ионов.

4. поле перехода представляет собой потенциальный барьер для электронов полупроводника. Только небольшая часть высокоэнергетических электронов способна преодолевать этот барьер и перейти в область металла.

5. С уменьшением электронного потока из полупроводника устанавливается динамическое равновесие между двумя разнонаправленными потоками электронов. В структуре устанавливается равновесное состояние, которео характеризуется толщиной перехода d, напряженностью полы Е и высотой энергетического или потенциального барьера

(9)

Эта величина еще называется контактной разностью потенциалов.

Наличие контактной разности потенциалов создает изгиб зон в приграничной области полупроводника. Чтобы электрону попасть в эту область, ему нужно преодолеть силу электрического противодействия. Поэтому чем ближе к границе контакта, тем большей энергией должен обладать электрон, чтобы попасть в эту область.

Электроны из металла и полупроводника должны преодолевать разную высоту барьера при переходе через границу. Величина - это высота энергетического барьера для электронов, переходящих из полупроводника в металл, а - для электронов, переходящих в обратном направлении.

ВАХ диода формально описывается зависимостью, аналогичной p-n –переходу:

(10)

причем экспоненциальный характер сохраняется в очень широком диапазоне изменения тока. В реальных переходах с учетом дополнительных эффектов нарушается постоянство тока I_S при обратных смещениях.

Для диодов Шотки можно привести следующие отличительные особенности:

1. Отсутствует диффузионная емкость, связанная с процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в базовой области. Поэтому высокое быстродействие определяется только малым временем перезарядки барьерной емкости.

2. Величины прямого падения напряжения меньше, чем в кремниевых p-n –переходах. Типовые значения составляют 0,4 … 0,5 В.

3. Способность пропускать большие величины прямых токов. Это связано с хорошим теплоотводом от металлической области структуры и малым прямым напряжением.

4. Сравнительно небольшие величины максимально допустимых обратных напряжений (несколько десятков вольт). Это определяется краевыми эффектами при пробое. Кроме того, для арсенида галлия не удается получить малую концентрацию дефектов, что также уменьшает пробивное напряжение.

Диоды изготавливают на основе кремния или арсенида галлия с электропроводностью n –типа из-за большей подвижности носителей заряда. Диоды Шотки предназначены для быстродействующих импульсных схем, выпрямительных устройств и нелинейных преобразований сигналов в ВЧ и СВЧ- диапазонах.