1.2. Контакт метал-напівировідник

Контакт між металом і напівпровідником на практиці використовується у ролі випрямляча. Перші випрямлячі були створені металевим вістрям на природних кристалах сульфіду винцю.

Розглянемо контакт металу М з роботою виходу A_­M з напівпровідником НП, робота виходу якого А_НП (мал.2.1). Оскільки процес встановлення рівноваги між металом і напівпровідником визначається вирівнюванням рівнів Фермі, то А_НП – термодинамічна робота виходу. Вирівнювання рівнів Фермі відбувається за рахунок протікання електронів із напівпровідника у метал при умові A_M > А_НП, як зображено на мал.2.1. Після встановлення рівноваги виникне контактна різниця потенціалів U_K. Приконтактна область напівпровідника збідниться на основні носії заряду на товщині , яка визначається виразом:

(2.12)

де ε – діелектрична проникність напівпровідника, N_d – концентрація донорної домішки, n – концентрація вільних електронів. Якщо вільні електрони у напівпровіднику створюються за рахунок іонізації донорних атомів, то n = N_d. Цей збіднений на вільні електрони шар має великий опір і називається запірним. Під впливом зовнішнього електричного поля опір запірного шару, а відповідно його товщина, може різко змінюватися. Прикладання зовнішньої різниці потенціалів U у запірному напрямку приводить до збільшення потенціального бар'єру для електронів, які переходять із напівпровідника у метал на величину eU (мал.2.1.в). Товщина запірного шару у цьому випадку стане рівною:

(2.13)

У випадку, коли зовнішнє поле прикладене у прямому напрямі відбувається пониження потенціального бар'єру і зменшення товщини запірного шару (мал.2.1.г), формула для якої набуде вигляду:

Як видно з мал.2.1, висота бар'єру з боку металу не змінюється. Прикладання зовнішньої напруги приводить до виникнення у колі електричного струму, напрямленого від металу до напівпровідника.

Залежність густини струму від прикладеної різниці потенціалів у загальному вигляді можна представити формулою:

(2.14)

де A -коефіцієнт, що залежить від концентрації носіїв заряду у напівпровіднику, контактної різниці потенціалів U_K і температури, знак "+" відповідає прямому напрямку зовнішньої напруги, "-" – запірному. У прямому напрямку струм швидко досягає великих значень, а при зворотному дуже повільно збільшується і при U → ∞ набуває насичення, що визначається числовим значенням величини коефіцієнта A:

Мал.2.1. Випрямляючий контакт між металом і напівпровідником n-типу. а) до встановлення контакту; б) для рівноважного стану: в) прикладена зовнішня різниця потенціалів U у зворотньому напрямі, г) зовнішня різниця потенціалів U прикладена у прямому напрямі.

(2.15)

де n – концентрація електронів у напівпровіднику, υ - середня арифметична швидкість електронів.

1.3. Фотопровідність при локальному освітленні

На контакті між металевим зондом і напівпровідником виникають мікроскопічні p-n переходи (мал.2.2), отже має місце запірний шар, товщина якого залежить від напрямку прикладеної напруги, як було розглянуто вище. В.Є.Лашкарьов та В.А.Романов виявили виникнення фото Е.Р.С. при освітленні напівпровідника, в якому існує градієнт питомого опору. При цьому локальна фотопровідність також набуває різної величини. Спад напруги у напівпровіднику який має форму прямокутної пластини при локальному освітленні змінюється на величину

(2.15)

де I – струм через пластину у режимі генератора струму, w – товщина пластини, b – її ширина, e – заряд електрона, G – швидкість генерації носів заряду. Методом локальної фотопровідності можна провести вимірювання розподілу питомого опору по довжині зразка. Якщо ж мати еталонну ділянку з відомими ρ та _еф., то можна оцінити ρ(x) за визначеними значеннями ∆U(x) та _еф.:

(2.16)

де ρ_ет. – знаходиться 2-х або 4-х зондовим методом для певної ділянки зразка. Оскільки сигнал ∆U(x) пропорційний ρ²(x)_еф.(x), то залежність від ρ² значно більша, ніж від _еф.. Якщо ж _еф.(x) ≈ , то ∆U(x) ρ².

Якщо неоднорідність створюється лише на межі між металевим контактом і напівпровідником (область підвищеного приконтактного опору), то залежно від прикладеної напруги до металевого контакту у результаті його освітлення фотострум буде зростати або зменшуватися. Розглянемо це на прикладі з металом, на якому виникає запірний шар (мал.2.1.б). Під дією світлової смужки біля контакту на відстані меншій дифузійної довжини електронів збуджуються фотоелектрони (основні носії світла). Напрям їх руху буде зумовлений полярністю прикладеної до цього контакту напруги. Якщо контакт буде під позитивним знаком, то фотоелектрони притягатимуться до нього і фотопровідність буде зменшуватися. Зростання зовнішньої напруги підсилює цей ефект, особливо при умові:

(2.18)

де U - прикладена напруга, L_D - дифузійна довжина фотоелектронів, w - товщина зразка, k - стала Больцмана, T - абсолютна температура, e - заряд електрона.

При зміні полярності напруги (мінус на освітлювальному контакті) фотоелектрони під дією існуючого поля втягуватимуться вглиб зразка. Фотопровідність зростатиме, оскільки цей напрям буде прямим для даного випадку. Для напівпровідника з дірковою провідністю процеси будуть протилежними до описаних вище.