Получение навыков количественных оценок эффектов и явлений в структуре полупроводников и интегральных микросхем, страница 22

при контакте металл – полупроводник

Основные характеристики поля – это потенциал поля и напряженность поля по координате в режиме термодинамического равновесия. Для исследования этих характеристик пользуются уравнением Пуассона:

где  ;

 - диэлектрическая проницаемость вакуума;

 - относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Если нет контакта металл – полупроводник, то примесный уровень может быть частично или полностью ионизирован. Суммарный заряд доноров при частичном освобождении уровней:

где  - концентрация донорных примесей.

При комнатной температуре все атомы примесей ионизированы, следовательно,

Потенциальная энергия частицы, находящейся в электрическом поле:

Получаем

Граничные условия:

Пусть приконтактная область имеет протяженность L, тогда

Решение уравнения Пуассона будет иметь вид:

Отсюда определяем толщину переходной области:

где  и  - работы выхода из металла и полупроводника соответственно.

При образовании контакта металл – полупроводник поверхность металла получает отрицательный заряд. Его величина определяет высоту потенциального барьера и ширину слоя. Следовательно, существует электрическое поле, направленное от полупроводника к металлу.

Потенциал поля:

Концентрация электронов в этом случае:

В переходной области появляется приконтактный слой, обедненный носителями и обладающий высоким сопротивлением - запорный слой. Такой контакт приближается по свойствам к диэлектрику.

Вариантов контактов металл – полупроводник существует несколько: металл с электронным проводником, металл с полупроводником с большей или меньшей работой выхода.

Контакт металл – полупроводник, когда А_М < А_П

Ток термоэлектронной эмиссии у полупроводника меньше чем у металла. Энергетические уровни опускаются ниже, следовательно, возрастает вероятность нахождения там электронов. То есть создается область, обогащенная зарядом с высокой электропроводностью.

Лекция №22

Контакт металл – дырочный полупроводник

При рассмотрении любых контактов следует помнить, что рассматриваются только основные носители. Будем считать, что полупроводник невырожденный, примесные уровни ионизированы полностью. В таких условиях рассматриваются процессы приконтактной области. В других условиях неосновные носители также принимаются во внимание, так как в некоторых случаях концентрация неосновных носителей превышает концентрацию основных, что приводит к изменению свойств приконтактной области.

Рассмотрим случай контакта металл – дырочный полупроводник, когда работа выхода из металла меньше работы выхода из полупроводника.

Зонная диаграмма приконтактной области будет искривляться, так что непосредственно возле контакта высота уровня понизится.

В приконтактной области остаются положительные заряды, следовательно, образуется электрическое поле, направленное от металла к полупроводнику. Для дырок перемещение на более высокие уровни возможно только тогда, когда они обладают большим запасом энергии. Это означает, что для дырок в приконтактной области образуется потенциальный барьер (концентрация дырок уменьшается).

, где  - потенциал поля,  - работа выхода из полупроводника, - работа выхода из металла.

То есть приконтактная область обладает повышенным сопротивлением, а значит, обладает запорными свойствами.

Вывод: картина полностью идентична со случаем контакта металл-электронный полупроводник, когда работа выхода из металла больше работы выхода из полупроводника.

В состоянии термодинамического равновесия термоэлектронные токи через переход между металлом и полупроводником уравновешиваются, так как ток через полупроводник остается неизменным, а ток через металл уменьшается.

Рассмотрим случай контакта металл – дырочный полупроводник, когда работа выхода из металла больше работы выхода из полупроводника.

Поток термоэлектронов из металла всегда меньше потока из полупроводника.