2015-02-27
1883
Явления, возникающие в контактах, представляются важными для изучения в силу распространенности контактов при производстве РЭС и ЭВС. Особенно важными являются контактные явления в микроэлектронике, т.к. контактные разности потенциалов становятся сравнимыми с рабочими напряжениями» В зависимости от материалов контакты могут быть различными: контакт металл-металл, металл-полупроводник, металл-диэлектрик, полупроводник-полупроводник и т.д.
Все эти контакты делятся на 3 группы:
1. Омические контакты. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) линейна, т.к. выполняется закон Ома. Эти контакты должны иметь малое сопротивление, не искажать форму передаваемого сигнала не создавать в цепи электрических шумов.
2. Нелинейные контакты, осуществляющие нелинейное преобразование сигнала (выпрямление, детектирование, модуляцию, генерирование и т.д.), наоборот должны иметь резко нелинейную характеристику.
3. Инжектирующие контакты должны обладать способностью инжектировать неосновные носители только в одном направлении. Для этого инжектирующий контакт должен быть резко асимметричным. Кроме того, ширина базовой области должна быть мала, а диффузионная длина достаточно велика, чтобы неосновные носители проходили через базовую область, не успев рекомбинировать.
|
|
|
Контакт металл-полупроводник может быть как омическим, так и выпрямляющим. Омические контакты металла с полупроводником широко применяются в диодах, транзисторах и пассивных элементах интегральных схем. Выпрямляющие контакты типа металл-полупроводник используются в тонкопленочных структурах для построения диодов и транзисторов с металлической базой на основе барьеров Шоттки.
Рассмотрим явления в контакте металл-полупроводник при отсутствии поверхностных состояний. Возьмем контакт электронного полупроводника и металла и предположим, что работа выхода электрона из полупроводника АП меньше работы выхода электрона из металла АМ (рис. 2,30, а).
а) б)
Рис. 2.30. Схема энергетических уровней в области контакта металл – полупроводник п – типа (АМ>Аn): а – до соприкосновения; б – после соприкосновения и установления термодинамического равновесия
Если металл и полупроводник привести в непосредственный контакт, то электроны будут переходить преимущественно из полупроводника в металл, так как уровень Ферми в полупроводнике перед соединением с металлом лежал выше, чем в металле. При этом металл заряжается отрицательно, а полупроводник – положительно. Направленный поток электронов будет иметь место до тех пор, пока уровни Ферми не выравняются, после чего установится динамическое равновесие (рис. 2.30, б), а между металлом и полупроводником возникнет контактная разность потенциалов
|
|
|
, (2.73)
где АМ и АП – соответственно работа выхода электрона из металла и полупроводника;
е – заряд электрона.
Величина φК выражается через АМ и АП, потому что обмен электронами возможен не только при непосредственном контакте металла и полупроводника, но и благодаря термоэлектронной эмиссии, обуславливающей разность потенциалов φК. Контактная разность потенциалов между металлом и полупроводником имеет значение порядка нескольких десятых долей или единиц вольта. Для получения такой величины необходимо, чтобы из полупроводника в металл перешло примерно 10 электронов. Если параметр решетки полупроводника a 0=5·1010 м (германий), а концентрация электронов n = 1021 м-3, то на 1 м его поверхности находится приблизительно 2·1013 электронов. Поэтому протекание примерно 1017 электронов связано с "оголением" примерно 5·103 атомных слоев полупроводника.
В металле, где поверхностная плотность электронов составляет 1018м-2, лишь часть электронов поверхностного слоя обеспечит требуемую плотность заряда для возникновения контактной разности потенциалов. Из-за большой концентрации электронов область объемного заряда в металле очень тонка, а падение напряжения на ней невелико.
Можно сказать, что практически вся контактная разность потенциалов падает на области объемного заряда в полупроводнике (см, рис. 2.30, б). Распределение потенциала в приповерхностном слое полупроводника аналогично распределению при наличии поверхностных состояний, только вместо поверхностного потенциала следует брать разность потенциалов.
Контактная разность потенциалов практически полностью падает в приконтактном слое полупроводника и искривляет в нем зоны энергии. Если АП < АМ для полупроводника n-типа, то зоны энергии будут искривлены в приконтактной области кверху.
Если работа выхода электрона из полупроводника n-типа больше работы выхода из металла, то электроны в большей мере переходят из металла в полупроводник и образуют в его контактном слое отрицательный объемный заряд (рис. 2.31, a), а на поверхности металла возникает положительный заряд. Между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов UК и потенциальный барьер еUК Возникающее контактное поле проникает вглубь полупроводника и уменьшает энергию электронов, вследствие чего происходит искривление энергетических уровней электронов полупроводника книзу. При этом область объемного заряда в полупроводнике толщиной dn оказывается обогащенной свободными носителями. При контакте металла с полупроводником р-типа обедненный слой в полупроводнике образуется в том случае, когда работа выхода электронов из металла АМ меньше работы выхода из полупроводника Аp (рис. 2.31, б), в обогащенный слой – когда работа выхода А больше работы выхода из полупроводника Аp (рис. 2.31, в).
|
|
|
а) б) в)
Рис. 2.31. Схема энергетических уровней в области контакта металл – полупроводник: а – n - тип (АМ < Аn); б – p-тип (АМ < Аp); в – p-тип (АМ > Аp)
При сильном искривлении зон в результате большого контактного поля в приповерхностном слое полупроводника может возникнуть инверсный слой, как и в случае поверхностных состояний. Концентрация электронов у границы полупроводника при контакте металл-полупроводник определяется из уравнения. Слой, обогащенный основными носителями заряда, называется антизапирающим (повышенная проводимость). Слой, обогащенный неосновными носителями, называется запирающим (пониженная проводимость). Слой у поверхности полупроводника, в котором в результате сильного искривления зон меняется тип проводимости по сравнению с объемом полупроводника, называется инверсным. Однако полученные соотношения между разностью работ выхода металла и полупроводника и свойствами контакта металл-полупроводник в ряде случаев не выполняются, т.е. выбор материала металла не влияет на свойства контактов. Это явление объясняется поверхностными состояниями. Как уже говорилось, наличие поверхностных состояний приводит к образованию слоя пространственного заряда (поверхностного потенциального барьера) и искривлению зон энергии в приповерхностном слое полупроводника.
|
|
|
Запирающие слои, которые образуются на границе однородного полупроводника контактным полем металла или поверхностным зарядом, называются физическими запирающими слоями.
Запирающие слои, полученные нанесением на полупроводник тонкого слоя другого вещества с большим удельным сопротивлением, называются химическими запирающими слоями. В этом случае в области контакта металл-полупроводник возникает потенциальный барьер или вследствие несоответствия между величинами работ выхода у металла и пленки, или вследствие наличия поверхностных состояний пленки.
При исследовании полупроводников применяются прижимные, припаянные, сплавные, электролитические, напыленные, пастовые, сварные контакты полупроводника с внешней цепью. Обычно контакты металл-полупроводник получают путем электрохимического осаждения, напыления в вакууме или механическим способом (прижатием). В любом из перечисленных случаев получения контакта металл-полупроводник имеет место зазор из-за загрязнения или поверхностных дефектов. При этом образуется потенциальный барьер между поверхностными состояниями и объемом полупроводника. Истинный контакт металл-полупроводник получается вплавлением металла в полупроводник. В этом случае высота потенциального барьера должна определяться разностью работ выхода металла Ам и полупроводника An (Ар).
Механизм прохождения тока через контакт металл-полупроводник
Приложим внешнее напряжение к цепи, состоящей из металла и полупроводника. В ней возникает направленное движение носителей зарядов (электронов и дырок), создающих ток плотностью
|
|
|
(2.74)
В связи с тем, что концентрация электронов и дырок различна в разных точках полупроводника (из-за поверхностных и контактных явлений), состав тока меняется, а величина его остается неизменной.
Введение носителей заряда через контакт металл-полупроводник или электронно-дырочный переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители заряда являются неосновными, называется инжекцией носителей заряда. Выведение носителей заряда из области полупроводника, где они являются неосновными, через контакт металл-полупроводник или электронно-дырочный переход ускоряющим электрическим полем, созданным действием внешнего напряжения, называется экстракцией носителей заряда.
Если j (x)/ j 0=1, т.е. контакт не меняет концентрацию неосновных носителей заряда, то он называется омическим.
Рассмотрим механизм прохождения тока через омический контакт. В электронном полупроводнике ток обусловлен в основном электронами. Электроны выходят из полупроводника на положительный электрод с той же скоростью, с какой они входят в полупроводник с отрицательного электрода; Следовательно, в полупроводнике плотность электронов остается той же самой, какая была и при отсутствии тока. Это необходимое условие электронейтральности.
В полупроводнике р-типа ток обусловлен в основном дырками, а в металлических выводах, соединяющих полупроводник с батареей,- электронами.
Каким же образом меняется способ переноса тока в переходе металл-полупроводник?
Если подвижные дырки под действием приложенного поля перемещаются в направлении к переходу полупроводник-металл, то они сначала накапливаются на переходе, увеличивая на нем местное поле, которое притягивает электроны из металла в полупроводник. Электроны, входя в полупроводник из металла, рекомбинируют с избыточными дырками.
Если подвижные дырки перемещаются в направлении поля от перехода металл-полупроводник, то на переходе сначала уменьшается число дырок и некоторые ионизированные атомы акцептора уже не могут нейтрализоваться. Эти атомы акцептора ведут к увеличению на переходе электрического поля, которое выталкивает электроны от ионизированных атомов акцептора в металл. Электроны входят в металлический электрод.
Если полупроводник собственный, то механизм прохождения тока через контакт металл-полупроводник аналогичен прохождению электронов и дырок в случае n-типа и р-типа.
Таким образом, в случае омического контакта электроны в состоянии легко проходить между металлом каждого электрода и полупроводником в любом направлении, состав тока одинаков как на самом контакте, так и в объеме. При этом для любого приложенного электрического поля скорость прохождения электронов через металлический вывод равна скорости прохождения дырок через полупроводник в случае дырочного полупроводника и скорости прохождения электронов через полупроводник в случае электронного полупроводника. Токи, проходящие через омический контакт, подчиняются закону Ома в большой области значений приложенного напряжения.
Для получения омического контакта металла с данным полупроводником надо выполнятьследующие требования:
использовать металл с работой выхода меньшей, чем у полупроводника, для n-типа, и большей – для р-типа;
металл должен диффундировать немного в полупроводник и создавать примесные центры, соответствующие данному типу проводимости;
иногда необходимо механическое повреждение поверхности полупроводника, на которую наносится контакт.
Вольт-амперная характеристика выпрямляющего контакта металл-полупроводник
Если привести металл и полупроводник в контакт друг с другом (пайка, напыление, прижатие и т.д.), то в области контакта металл-полупроводник может возникнуть потенциальный барьер, причинами которого могут быть:
● несоответствие между величинами работ выхода у металла и полупроводника;
● наличие поверхностных состояний у полупроводника;
● наличие посторонних плохо проводящих слоев (пленки, окислы, лак и др.) между металлом и полупроводником.
Рассмотрим изменение потенциального барьера на выпрямляющем контакте металл-полупроводник, к которому приложено внешнее напряжение (рис. 2.32, а, б, в).
Если к выпрямляющему контакту (рис. 2.32, б ) электронного полупроводника с металлом приложить внешнее напряжение U в направлении, совпадающем с контактной разностью потенциалов (плюс источника подан на полупроводник), то потенциальный барьер со стороны полупроводника увеличится на величину еU (если пренебречь падением напряжения в объеме полупроводника), а энергетические уровни электронов и уровень Ферми в полупроводнике сместятся на величину еU. Толщина запирающего слоя при этом увеличится:
(2.75)
где n – концентрация носителей заряда в полупроводнике (n» Nд) при условии, что все доноры ионизированы, а концентрация собственных носителей мала.
а) б) в)
Рис. 2.32. Влияние внешнего поля, приложенного к выпрямляющему контакту металл – полупроводник, на энергетические уровни полупроводника п - типа: а – равновесное состояние; б – напряжение приложено в запорном направлении; в – напряжение приложено в обратном направлении
Высота потенциального барьера со стороны металла при этом не измениться. Такое направление называется запорным.
Если к выпрямляющемуся контакту приложить внешнее напряжение U в направлении, противоположном контактной разности потенциалов (минус источника подан на полупроводник), то потенциальный барьер со стороны полупроводника уменьшиться на величину еU (рис. 2.32, в). Толщина запирающего слоя при этом уменьшиться:
. (2.76)
Высота же потенциального барьера со стороны металла остается неизменной. Такое направление называется прямым.
Для описания процесса происхождения носителей заряда через потенциальные барьеры, возникающие на контакте металл-полупроводник, можно привлечь два простых механизма: квантовомеханический туннельный эффект и надбарьерное прохождение носителей заряда с достаточной для этого перехода энергией.
Если приложить внешнее поле к контакту металл-полупроводник, то величина потенциального барьера со стороны полупроводника изменяется в зависимости от знака приложенного напряжения:
еU = еUк ± еU, (2.77)
где знак минус при еU соответствует прямому направлению внешнего поля, знак плюс – запорному. При этом величина тока, обусловленного эмиссией электронов,
. (2.78)
Ток J1 имеет направление от металла к полупроводнику. Так как величина барьера со стороны металла при этом не изменяется, то величина тока, обусловленного эмиссией электронов из металла в полупроводник:
(2.79)
Ток J2 имеет направление от полупроводника к металлу.
Используя выражение (2.78) и (2.79), найдем величину результирующего тока J:
, (2.80)
где
Уравнение (2.80), выражающее зависимость тока от величины и знака приложенного напряжения, есть уравнение вольт-амперной характеристики выпрямляющего контакта металл-полупроводник. Знак "+" при 
соответствует прямому (пропускному) направлению внешнего поля, знак "-" – запорному (обратному).
Как в диодной, так и в диффузионной теории получается одинаковое выражение для вольт-амперной характеристики выпрямляющего контакта металл-полупроводник. Однако существенное и количественное различие для тока насыщения в диодной (а) Js =1/4 nVТ диффузионной (б) Js = еnVд теорий заключается в следующем:
I. Так как дрейфовая скорость электрона Vд всегда меньше тепловой скорости VТ, то ток насыщения (б) много меньше, чем (а),
2. Ток насыщения (а) не зависит от приложенного напряжения, в то время как в (б) он растет для запорного направления с ростом приложенного напряжения.
Обе эти стороны являются достоинствами тонкого запирающего слоя, для которого применима диодная теория. Недостаток его в том, что он не выдерживает высоких обратных напряжений из-за электростатической ионизации.
При большей величине обратного напряжения Uoбр. начинают играть роль дополнительные процессы: увеличение числа носителей за счет сильного поля (электростатическая и ударная ионизация), разогревание контакта и др., которые приводят к очень быстрому нарастанию обратного тока и пробою запирающего слоя. При этом ток резко возрастает, а напряжение на контакте падает (см. рис. 2.33).
|
Рис. 2.33. Вольт – амперная характеристика выпрямляющего контакта полупроводника с металлов. 1 – туннельный пробой; 2 – лавинный пробой; 3 – тепловой пробой
Диодная и диффузионная теории в равной мере применимы и к дырочному полупроводнику, если в нем на границе с металлом имеется запирающий слой. При этом в уравнениях вместо n надо писать р, а плюс U заменить на минус U. Пропускным направлением в этом случае будет такое, когда на р-полупроводник подан плюс.
