Контакт метал -напівпровідник і його випрямляючі властивості. Омічний контакт

Якщо А_м > А_п то електрони будуть переходити із напівпровідника в метал, поки рівні Фермі не стануть однаковими (рис.7.3). Для одержання КРП порядку одного вольта необхідно, щоб із напівпровідника із одиниці об’єму в метал перейшла приблизно така ж кількість електронів, як і в контакті двох металів ~ 10²⁷ м^-3. У сильно легованих домішкових напівпровідниках концентрація електронів дорівнює приблизно n_о = N_d ≈ 10²⁴ м^-3. Тому тепер електрони повинні перейти із області напівпровідника товщиною приблизно 1000 міжатомних відстаней, що набагато більше від довжини їх вільного пробігу. У напівпровіднику формується досить широка область, збіднена на основні носії заряду. Тому електропровідність такого контакту набагато менша, ніж об’єму напівпровідника, а тим більше ніж металу. Такий контакт називається випрямляючим, запірним.

Напруженість контактного електричного поля направлена від напівпровідника в метал, а по величині Е_к = V_к/d = 1В/(3∙10^-10м∙1000)≈ 3×10⁶ В/м набагато менша від напруженості внутрішнього поля кристалу напівпровідника (~10⁸ В/м). Тому в області контакту структура енергетичних зон (ширина забороненої зони, енергія активації домішок і т. д.) напівпровідника не змінюється, а енергетичні рівні зазнають викривлення, в нашому випадку загинаються вверх. Упевнимось у цьому такими міркуваннями. Нехай нам потрібно перемістити електрон через контакт із об’єму напівпровідника в метал. Для цього ми повинні рухати його в напрямку напруженості контактного поля Е_К, яке буде перешкоджати такому рухові. Дійсно, оскільки заряд електрона від’ємній, то на нього діє сила, направлена проти вектора напруженості електричного поля. Отже, ми повинні виконати певну роботу, яка перетворюється в потенціальну енергію електрона. А це й означає загинання енергетичних зон вверх, що і відображено на рис.7.3.

Нехтуючи товщиною контактного шару в металі в одну міжатомну відстань, можемо вважати, що вся контактна область поширюється в напівпровідник. Із формули (7.4), враховуючи, що кількість електронів, які зазнають переходу, дорівнює концентрації донорної домішки Δn = N_d, знаходимо товщину контактного шару

. (7.5)

У рівноважному стані, тобто без зовнішньої напруги, для переходу електронів із напівпровідника в метал потрібно подолати потенціальний бар’єр q×V_К, а для протилежного переходу - q×V_O. Потоки електронів однакові. Струм через контакт відсутній.

Проаналізуємо поводження контакту при підключенні зовнішньої напруги.

Запираюче (зворотне) ввімкнення контакту буде тоді, коли напруженість Е зовнішнього електричного поля співпадає з напрямком напруженості контактного поля Е_К (рис.7.4), тобто (+) зовнішньої батареї напругою V з’єднаний з напівпровідником, а (–)з металом. Всі енергетичні рівні напівпровідника опускаються вниз на величину q×V. Висота бар’єру для потоку електронів (основних носіїв) із напівпровідника в метал зростає і стає рівною q×(V_K + V). Цей потік значно зменшується. Потік же електронів із металу в напівпровідник не змінюється, оскільки для них висота бар’єру залишається такою ж q×V_O. Зростає також ширина контактної області

. (7.6)

Таким чином, зменшення потоку основних носіїв заряду (електронів) і розширення збідненого на вільні носії заряду контактного шару приводить до різкого зменшення електропровідності контакту. Через нього протікає невеликий зворотній струм зумовлений неосновними носіями заряду (дірками), концентрація яких дуже мала(рис.7.5)

. (7.7)

і_S – струм насичення, який визначається концентрацією основних носіїв заряду. При збільшенні зовнішньої напруги V експонента швидко спадає до нуля і зворотній струм виходить на насичення.

Пряме ввімкнення буде тоді, коли напруженість зовнішнього поля протилежна контактному, тобто напівпровідник з’єднується з (–) зовнішньої батареї, а метал з (+). Тепер всі енергетичні рівні напівпровідника опускаються вниз на величину q×V. Висота потенціального бар’єру для основних носіїв заряду (електронів) із напівпровідника в метал зменшується до величини q×(V_K – V), і прямий струм швидко зростає (див. рис.7.5). . (7.8)

Концентраційного обмеження, як це було при зворотному ввімкненні, немає. Крім того зменшується ширина високоомної контактної області

, (7.9)

що також приводить до зростання електропровідності.

Таким чином розглянутий контакт має властивість односторонньої електропровідності, тобто має випрямляючі властивості: пропускати струм в одному напрямку і практично не пропускати в зворотному. Ця властивість характеризується коефіцієнтом випрямлення - це відношення прямого струму до зворотного при однаковій зовнішній напрузі. Для контактів метал-напівпровідник, або ще їх називають діодами Шотткі, цей коефіцієнт не дуже великий, порівнюючи з р-п-переходами і лежить в межах 10⁴ ÷ 10⁵. Але вони мають досить малий час перемикання з прямого ввімкнення на зворотне, порядку 10^-10 ÷ 10^-11 сек, що дає можливість використовувати їх у швидкодіючих ЕОМ.

Для виготовлення електричних контактів до напівпровідникових приладів необхідно формувати невипрямляючі, або омічні контакти, які б не спотворювали роботу цих приладів. Такі контакти формуються з такими металами, коли відбувається збагачення приконтактної області напівпровідника основними носіями заряду. Як правило використовується той же метал, яким легований напівпровідник. Наприклад, р-Ge – In, n-Ge – Sb, n-Si – Ni, і т.д. В противному разі утворюються випрямляючі контакти, розглянуті вище.