Идеальный контакт металл-полупроводник

Идеальный контакт металл-полупроводник. Пусть имеются образцы металла и полупроводника n - типа с плоскими поверхностями.

При этом уровень Ферми в полупроводни- ке может лежать как выше, так и ниже уровня Ферми в металле (на рис.8 ). Приведем образцы в идеальный (т.е. без зазора и слоя окисла между ними) контакт.

Если, то электроны в первый момент по- текут преимущественно из полупроводника в металл. Металл зарядит- ся отрицательно, а полупроводник - положительно, в результате че- го возникает контактная разность потенциалов Uк и электрическое поле, препятствующее переходу электронов из полупроводника в ме- талл. Избыточный поток электронов будет иметь место до тех пор, пока уровни Ферми в металле и полупроводнике не выравняются, и не установится динамическое равновесие, характеризуемое равенством токов эмиссии: (2.1) следовательно, контактная разность потенциалов определяется выра- жением: (2.2) где и термодинамические работы выхода электрона из металла и полупроводника, определяемые как. Контактная разность потенциалов полностью падает на прикон- тактной области полупроводника, так как в металл электрическое поле практически не проникает из-за высокой концентрации носите- лей. Напряженность электрического поля в поверхностном слое по- лупроводника не превышает 10 в/см, а напряженность поля ионов кристаллической решетки составляет 10 в/см. Поэтому контактное поле не в состоянии изменять ширину запрещенной зоны полупровод- ника, зато обуславливает появление в его приконтактном слое изги- ба энергетических зон на величину, причем в случае зо- ны будут искривлены кверху, (рис.9,а) При этом приконтактный слой обогатится дырками.

Этот обогащенный неосновными носителями слой с пониженной удельной проводимостью называется запирающим.

В полупроводнике p - типа он возникает при (рис. 9,б) В случаях контакта металл-полупроводник n - типа при и контакта металл-полупроводник p - типа при (рис.9,в, г) приконтактная область обогащается основными носите- лями и образуется слой с повышенной удельной проводимостью, кото- рый называется антизапирающим.

Выясним, от каких параметров зависит толщина приконтактного слоя, т.е. глубина проникновения контактного поля в полупровод- ник. Предположим, что электрическое поле проникает в полупровод- ник на некоторую глубину. В приконтактной области энергия электронов на дне зоны проводимости равна: (2.3) объемный заряд в приконтактной области определяется выражением: (2.4) Поскольку вся контактная разность потенциалов падает на при- контактной области полупроводника, можно считать, что (2.5) В этом случае выражение (2.4) принимает вид: (2.6) Это означает, что на расстоянии, на которое проникает поле, из электронного полупроводника свободные электроны вытесняются, и в этой зоне остается положительный заряд, определяемый концентраци- ей ионов примеси.

Для области объемного заряда уравнение Пуассона с учетом (2.6) имеет вид: (2.7) Общее решение этого уравнения: (2.8) Так как поле проникает в полупроводник только на глубину, то уравнение (2.8) должно удовлетворять граничным условиям: (2.9) С учетом (2.9) находим: (2.10) Следовательно, в приконтактной области электростатический потен- циал в зависимости от координаты меняется следующим образом: (2.11) Для определения величины используем граничные условия в точке : (2.12) Это уравнение позволяет получить из уравнения (2.11) значение глу- бины проникновения поля: (2.13) Из полученной формулы следует: чем меньше концентрация носи- телей заряда в полупроводнике (т.е. степень его легирования) и, чем больше разность работ выхода электронов из металла и полупро- водника, тем больше глубина проникновения в полупроводниик элект- рического поля, вызванного контактной разностью потенциалов. 2.2.