§ 248. Выпрямление на контакте металл — полупроводник

Рассмотрим некоторые особенности механизма процессов, происходящих при приведе­нии в контакт металла с полупроводником. Для этого возьмем полупроводник n-типа с работой выхода А, меньшей работы выхода А_м из металла. Соответствующие энергетические диаграммы до и после приведения в контакт показаны на рис. 333, а, б.

Если А_м>А, то при контакте электроны из полупроводника будут переходить в металл, в результате чего контактный слой полупроводника обеднится электронами и зарядится положительно, а металл — отрицательно. Этот процесс будет проис­ходить до достижения равновесного состояния, характеризуемого, как и при контакте двух металлов, выравниванием уровней Ферми для металла и полупроводника. На контакте образуется двойной электрический слой d поле которого (контактная раз­

Металл Полупроводник

о а ч

'/////^/////////,

n-типа

А_м->А

Рис. 333

ность потенциалов) препятствует дальнейшему переходу электронов. Вследствие малой концентрации электронов проводимости в полупроводнике (порядка 10¹⁵ см"³ вместо 10¹² см³ в металлах) толщина контактного слоя в полупроводнике достигает примерно 10~⁶ см, т. е. примерно в 10 000 раз больше, чем в металле. Контактный слой полупроводника обеднен основными носителями тока — электронами в зоне проводмости, и его сопротивление значительно больше, чем в остальном объеме полупроводника. Такой контактный слой называется запирающим.

При d= 10^-6 см и Δφ≈ 1 В напряженность электрического поля контактного слоя

E = Δφ/d≈10⁸ В/м. Таксе контактное поле не может сильно повлиять на структуру спектра (например, на ширину запрещенной зоны, на энергию активации примесей и т. д.) и его действие сводится лишь к параллельному искривлению всех энергетичес­ких уровней полупроводника в области контакта (рис. 333, б). Так как в случае контакта уровни Ферми выравниваются, а работы выхода—величины постоянные, то при А_м>А энергия электронов в контактном слое полупроводника больше, чем в оста­льном объеме. Поэтому в контактном слое дно зоны проводимости поднимается вверх, удаляясь от уровня Ферми. Соответственно происходит и искривление верхнего края валентной зоны, а также донорного уровня.

Помимо рассмотренного выше примера возможны еще следующие три случая контакта металла с примесными полупроводниками: а) А_м<А, полупроводник n-типа;

б) А_м>А, полупроводника-типа; в) А_м<А, полупроводник n-типа. Соответствующие зонные схемы показаны на рис. 334.

Если А_м<А, то при контакте металла с полупроводником n-типа электроны из металла переходят в полупроводник и образуют в контактном слое полупроводника отрицательный объемный заряд (рис. 334, а). Следовательно, контактный слой полупроводника обладает повышенной проводимостью, т. е. не является запирающим. Рассуждая аналогично, можно показать, что искривление энергетических уровней по сравнению с контактом металл — полупроводник л-типа (А_м>А) происходит в обратную сторону.

При контакте металла с полупроводником р-типа запирающий слой образуется при А_м<А (рис. 334, в), так как в контактном слое полупроводника наблюдается избыток отрицательных ионов акцепторных примесей и недостаток основных носителей тока-дырок в валентной зоне. Если же А_м>А (рис. 334, б), то в контактном слое полупроводника р-типа. наблюдается избыток основных носителей тока — дырок в ва­лентной зоне, контактный слой обладает повышенной проводимостью.

Исходя из приведенных рассуждении, видим, что запирающий контактный слой возникает при контакте донорного полупроводника с меньшей работой выхода, чем

Полупроводник n -типа

Металл

Полупроводник р-типа

Полупроводник ., р-типа

Металлы-­

у металла (см. рис. 333, б), и у акцепторного — с большей работой выхода, чем у металла (рас. 333,).

Запирающий контактный слой обладает односторонней (вентильной) проводимостью, т. е. при приложения к контакту внешнего электрического поля он пропускает ток практически только в одном направлении: либо из металла в полупроводник, либо из полупроводника в металл. Это важнейшее свойство запирающего слоя объясняется зависимостью его сопротивления от направления внешнего поля.

Если направления внешнего и контактного полей противоположны, то основные носители тока втягиваются в контактный сдой из объема полупроводника; толщина контактного слоя, обедненного основными носителями тока, и его сопротивление уменьшаются. В этом направлении, называемом пропускным, электрический ток может проходить через контакт металл — полупроводник. Если внешнее поле совпадает по знаку с контактным, то основные носители тока будут перемещаться от границы с металлом; толщина обедненного слоя возрастает, возрастает и его сопротивление. Очевидно, что -в этом случае ток через контакт отсутствует, выпрямитель заперт — это зшюрвое направление. Для запирающего слоя на границе металла с полупроводником n-типа (А_м>А) пропускным является направление тока из металла в полупроводник, а для запирающего слоя на границе металла с полупроводником /»-типа (Ам<А) — из полупроводника в металл.