Выпрямляющие контакты (диоды Шоттки). Зонные диаграммы выпрямляющих контактов металла с полупроводником

Выпрямляющие контакты (диоды Шоттки)

Исторически первыми полупроводниковыми приборами были диоды, основанные на контакте полупроводника с металлом (точечно-контактные диоды). Их применение основывалось на экспериментально обнаруженном факте — выпрямлении слабых переменных сигналов при соприкосновении металлической иглы с кристаллами некоторых естественных полупроводниковых минералов. В интегральных схемах контакты металла с полупроводником находят двоякое применение: либо в качестве невыпрямляющих — омических контактов (соединения элементов ИС), либо в качестве специфических выпрямляющих контактов (диодов Шоттки).

Структура и свойства контактов металл-полупроводник зависят в первую очередь от взаимного расположения уровней Ферми в том и другом слое. На рис. 3.11 -вверху показаны зонные диаграммы разделенных слоев, а внизу — зонные диаграммы соответствующих контактов (после «соприкосновения» слоев и установления равновесия).

Выпрямляющие контакты. На рис. 3.11, а показаны зонные диаграммы для случая, когда         φ _Fm > φ _Fp.. Такое соотношение означает, что заполненность зоны проводимости в полупроводнике меньше, чем заполненность такого же энергетического участка в металле. Поэтому после «соприкосновения» слоев часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа. Появление  дополнительных  электронов  в  приповерхностном слое полупроводника приводит к усиленной рекомбинации. В результате уменьшается количество основных носителей — дырок, и вблизи границы с металлом «обнажаются» некомпенсированные отрицательные ионы акцепторов. Появляется электрическое поле, которое препятствует дальнейшему притоку электронов и обеспечивает больцмановское равновесие в области контакта. Энергетические уровни оказываются искривленными «вниз».

На рис. 3.11, б показаны зонные диаграммы для случая φ _Fm < φ _Fp , когда после соприкосновения слоев электроны переходят из полупроводника n-типа в металл. Соответственно вблизи границы с металлом «обнажаются» некомпенсированные положительные ионы доноров, а зоны искривляются «вверх».

Область искривления зон (т.е. область объемных зарядов) в обоих случаях имеет протяженность, определяемую формулой (2.34), обычно 0,1-0,2 мкм.

Контакты такого рода в настоящее время создаются напылением металла на полупроводник в вакууме.

Обмен электронами между металлом и полупроводником обычно характеризуют не разностью «исходных» уровней Ферми, а разностью работ выхода. Работой выхода электрона из твердого тела называют энергию, необходимую для вылета за пределы кристалла (т.е. для термоэмиссии). На зонных диаграммах работа выхода есть энергетическое «расстояние» между уровнем свободного электрона вне твердого тела и уровнем Ферми. На рис. 3.11 работы выхода из металла и из полупроводника обозначены соответственно через φ _M и φ _S. Разность работ выхода φ _MS = φ _M - φ _S, выраженную в вольтах, называют контактной разностью потенциалов.

В зависимости от соотношения работ выхода φ _M и φ _S. электроны переходят в тот или иной слой. Если φ _M < φ _S (т.е. φ _MS <0), то электроны переходят из металла в полупроводник (рис. 3.11, а), если же φ _M > φ _S.  (т.е. φ _MS >0), то электроны переходят из полупроводника в металл (рис. 3.11, б). Такой критерий более нагляден, чем использованный в начале раздела, тем более, что контактные разности потенциалов для типовых комбинаций металлов и полупроводников приводятся в литературе.

Степень искривления энергетических зон вблизи поверхности (рис. 3.11) характеризуется величиной равновесного поверхностного потенциала φ_SО. Если пренебречь ролью поверхностных состояний, то величина φ_SО  будет