Поверхность полупроводника, Поверхностные и контактные явления, страница 3

Так как концентрация легирующей примеси может изменяться на много порядков, то и размер ОПЗ может изменяться в широких пределах. Так, для арсенида галлия с изгибом зон j_s равным 0.2 эВ при концентрации доноров 10¹⁰ см^-3, размер ОПЗ составляет 170 микрон (что сравнимо с толщиной рабочих подложек – 300-400 микрон. Для концентрации доноров 10²⁰ см^-3, размер ОПЗ составляет уже 17 ангстрем (3-4 монослоя!!!).

Лекция 23. Контакт металл-полупроводник. Диод Шоттки.

Гетероструктура металл-полупроводник. Вольтамперная характеристика структуры металл-полупроводник, диодное приближение. Прямое и обратное смещение. Диод Шоттки. Ёмкость ОПЗ. Варикапы.

Рассмотрим структуру полупроводник n-типа/металл. Допустим, что поверхностные состояния на поверхности полупроводника не приводят к заметному изгибу зон. При контакте такого полупроводника и металла возможны две различных ситуации: уровень Ферми металла лежит ниже уровня Ферми полупроводника (F_М>F_П), либо наоборот. В первом случае, в момент соприкосновения полупроводника с металлом поток электронов из полупроводника превышает поток электронов из металла. Динамическое равновесие (j_М0=j_П0) установится, когда поверхность металла зарядится отрицательно настолько, что своим потенциалом будет отталкивать электроны из полупроводника, и уровни Ферми в системе не выровняются. При этом, так как концентрация свободных электронов в металле намного меньше концентрации свободных электронов в полупроводнике, его уровень Ферми практически не изменится. Изгиб зон в полупроводнике будет составлять j_s =F_М-F_П. Во втором случае, часть электронов металла наоборот, перейдет в полупроводник, поверхность металла зарядится положительно, изгиб зон станет отрицательным и реализуется ситуация обогащения. Вернемся к первому случаю. Пусть изгиб зон таков, что не приводит к инверсии, а реализуется ситуация обеднения. Размер ОПЗ из формулы 8.3 в этом случае составляет:

Рисунок 8.3. Прямое (слева) и обратное (справа) смещение структуры металл-полупроводник. (Размер ОПЗ на рисунке обозначен как Z).

Рассмотрим полупроводник n- типа. Предположим, что размер ОПЗ много больше длины волны электронов (чтобы пренебречь их туннелированием сквозь барьер). Рассмотрим ситуацию, когда длина свободного пробега носителей заряда больше размеров ОПЗ. В этом случае, носитель заряда с соответствующей энергией пролетает над барьером практически не испытывая рассеяния. Эта ситуация схожа с ситуацией вакуумного диода, поэтому данная теория получила название диодной. Из теории термоэлектронной эмиссии для вакуумного диода известно соотношение для плотности тока насыщения, который определяется следующим образом:

В данном случае работа выхода y будет составлять F_М-F_П=j_s. В случае, когда к структуре не приложено смещение напряжения от внешнего источника, этот ток уравновешивается током электронов из полупроводника. Правее от барьера существует некоторое количество «горячих» электронов, способных преодолеть барьер. Рассмотрим обратное смещение – это означает в нашем случае что к полупроводнику приложен плюс батареи а к металлу – минус. Оценим, в какой области будет происходить основное падение напряжения. Сопротивление металла намного меньше сопротивления полупроводника n-типа, а сопротивление даже тонкого слоя ОПЗ (где происходит обеднение) намного больше сопротивления всей оставшейся пластины полупроводника. В результате приложенное напряжения падает, в основном, в ОПЗ, и, прямое смещение приводит к увеличению барьера. Все меньше и меньше электронов из полупроводника способны преодолеть энергетический барьер. Ток электронов из полупроводника уменьшается экспоненциально:

здесь следует отметить, что знак напряжения при обратном смещении отрицательный, заряд электрона берем по модулю.

При этом практически не меняется барьер для электронов металла, а значит полный ток равен:

            8.4

При смене полярности подаваемого напряжения (прямое смещение) величина барьера уменьшается, и ток экспоненциально растет. Конечно, когда подаваемое напряжение практически спрямит барьер, ток будет определяться просто сопротивлением полупроводника, и, достигнет насыщения. Таким образом, структура металл-полупроводник является диодом (так называемый диод Шоттки) и может использоваться для выпрямления переменного тока.