Полупроводники - Смит Р.
Скачать (прямая ссылка):
поля, являющийся физической основой работы одного из наиболее широко
используемых типов транзисторов - полевого транзистора, рассмотрены в
обстоятельном обзоре Уоткинса [36].
7.12. Контакты металл - полупроводник
После всего сказанного выше не будет неожиданным то обстоятельство, что
поверхностные состояния заметно влияют на свойства контактов металл -
полупроводник, особенно на свойства контактов с малой площадью.
Интересно, однако, выяснить, что следовало бы ожидать в случае контакта
между металлом и полупроводником в отсутствие таких состояний. Если
работа выхода Ws примесного полупроводника n-типа, донорные уровни у
которого лежат вблизи дна зоны проводимости, меньше работы выхода И7т
металла, образующего контакт, то электроны начнут переходить в металл.
Это иллюстрируется рис. 7.16. По-видимому, эти условия обычно и
реализуются, поэтому следовало бы ожидать, что вблизи контакта
энергетические уровни полупроводника, как показано на рис. 7.16, изог-
См., например, [321. 2) См., например, [33].
7. Диффузия электронов и дырок
257
Метам
К к
V *
¦"
В*
Вс
Метам tf
Рис. 7.16. Контакт металла с полупроводником.
71*
\Уо
Рис. 7.17. Влияние внешнего напряжения на контакт металл - полупроводник.
нутся вверх. Величина подъема уровней должна была бы определяться
разностью работ выхода металла и полупроводника. Можно, как и раньше,
ввести поверхностный потенциал <р" и тогда величина Ф, равнялась бы
примерно Wm - Ws. Однако экспериментально показано, что*это не так, и что
величина ф, почти не зависит от Wm. Таким образом, значение ф,
определяется в основном поверхностными состояниями и почти не зависит от
природы металла. Следовательно, в изолирующем слое на поверхности должно
суще-
258
7. Диффузия электронов и дырок
ствовать электрическое поле, обусловливающее смещение уровней Ферми в
металле и полупроводнике до тех пор, пока они не совпадут.
Наложение потенциала, сообщающего металлу положительный относительно
полупроводника (л-типа) заряд, приводит к снижению потенциального
барьера, препятствующего переходу электронов из полупроводника в металл,
и электроны легко проникают в металл 137, 38]. (В металле имеет место
очень небольшое падение потенциала.) Если же металл заряжен отрицательно
относительно полупроводника, то высота барьера, который должны преодолеть
электроны для перехода в металл, повышается, в соответствии с чем этот
поток по существу прекращается; остается лишь небольшой поток электронов
из металла в полупроводник. Количественно это можно представить следующим
образом. Пусть -/" -ток электронов из металла в полупроводник. Он не
зависит от приложенного напряжения и определяется лишь высотой
потенциального барьера относительно уровня Ферми. Если предположить, что
падение потенциала V0 происходит в основном лишь в области объемного
заряда (рис. 7.17), то эффективная высота барьера окажется равной е(<р8-
У0), и тогда плотность электронного тока из полупроводника в металл
запишется следующим образом:
Таким образом, плотность полного тока / определяется выражением
которое имеет тот же вид, что и для р - л-перехода, однако величину тока
насыщения /0 теперь найти не столь просто.
Существует ряд теорий контакта, позволяющих вычислить /,. Условия их
применимости и суть сделанных в них приближений проанализировал Хениш
[21]. Основное отличие этих теорий друг от друга связано с шириной слоя
пространственного заряда и вероятностью столкновений электронов и дырок
при прохождении через этот слой. Если слой тонкий, то применима так
называемая диодная теория, согласно которой
При К0=0 имеем /е=/3. так что
(7.195)
(7.196)
(7.197)
где те-эффективная масса электрона. Если процесс изготовления контакта
металл - полупроводник не выполнен с большой тща-
7. Диффузия электронов и дырок
259
тельностью в условиях высокого вакуума, то неизбежно образуется тонкий
слой окисла и получается контакт типа металл - окисел - полупроводник
(МОП). Это оказывает заметное влияние на вольтам-перную характеристику.
Эта теория была в дальнейшем развита в направлении учета роли слоя окисла
и сил изображения для электронов а полупроводнике, а также учета роли
других факторов. Рассматривались также туннельные переходы электронов
сквозь потенциальный барьер.
Современная теория выпрямления, учитывающая свойства контактов металл -
полупроводник, показывает, что задача расчета вольтамперной
характеристики подобного выпрямляющего контакта чрезвычайно сложна.
Например, в рассмотренной выше упрощенной теории предполагалось, что
неосновные носители заряда не играют существенной роли. С другой стороны,
нам известно, что могут возникать инверсные слои и что некоторые контакты
металл - полупроводник (p-типа) обладают большой величиной коэффициента
инжекции у. Лишь в очень редких случаях вольтамперные характеристики
контактов металл - полупроводник описываются уравнением вида (7.196).
Довольно часто эти характеристики можно описать уравнением такого типа,
