Контакты металл-полупроводник. 
Электроника

Электрические переходы металл—полупроводник применяются для создания диодов, транзисторов и омических контактов, при изготовлении внешних выводов полупроводниковых приборов и интегральных схем.

При непосредственном контакте металла с полупроводником высота возникающего потенциального барьера для электронов зависит от работы выхода металла и плотности поверхностных состояний.

Работой выхода называется разность энергий между уровнем Ферми и уровнем свободного пространства (вакуума) ?_вак. Для металла эта величина соответствует <7ф_то, а в полупроводнике л-типа она равна д (% + и _п) (рис. 2.14, а, правый), где эд — Р^а разрядность энергий между энергией дна зоны проводимости Е_п и уровнем вакуума Е_ияк (электронное сродство), qU_п — разность энергий между уровнем дна зоны проводимости Е_п и уровнем Ферми Е_ф. Разность работ выхода металла и л-полупроводника, равная </(ф_т — X ~ и")> определяет контактную разность потенциалов г/ф;, т. е. г/ф; = <7(ф_ш — х — и_п)•.

Оценим высоту барьера для рассматриваемого контакта. Зонные диаграммы равновесного контакта металла с р- и л-полупроводниками приведены на рис. 2.14, а, где Е_Ф1— уровень Ферми для собственного полупроводника. Рассмотрим сначала соединение металла с л полупроводником, работа выхода электронов у которого меньше, чем у металла. В этом случае часть электронов переходит из полупроводника в металл. В результате в полупроводнике появится обедненный слой, содержащий положительный заряд ионов доноров. Переход электронов будет происходить до тех пор, пока уровни Ферми в обоих материалах не сравняются (Е_ф — Е_ф), т. е. уровень Ферми л-полупроводника (Е_ф) понизится относительно уровня Ферми в металле Е_ф на величину </ф', равную разности соответствующих работ выхода. На такую же величину понизится уровень вакуума Е_впк (см. рис. 2.14, а, правый). В результате энергия, соответствующая высоте потенциального барьера ду_п (рис. 2.14, а), преодолеваемого электронами при переходе из металла с уровня Е_ф в зону проводимости полупроводника (при идеальном контакте л полупроводника и металла, когда работа выхода из.

Рис. 2.14

металла больше), равна разности между работой выхода металла и электронным сродством полупроводника:

При идеальном контакте между металлом и полупроводником р-типа (рис. 2.14, а, левый) контактная разность потенциалов <7ф^ и высота потенциального барьера <7ф_ определяются аналогичными выражениями (с учетом ширины запрещенной зоны АЕ₃):

где — энергия между потолком валентной зоны и уровнем Ферми Еф .р

Таким образом, при контакте металла с полупроводником валентная зона проводимости полупроводника занимает определенное энергетическое положение по отношению к уровню Ферми металла. Если это положение известно, то оно служит граничным условием при решении уравнения Пуассона в полупроводнике, которое записывается в том же виде, что и для случая р—/г переходов (см. п. 2.1). В результате можно, как и для р—п перехода, вычислить все параметры перехода металл — полупроводник.

Выражения (2.30) и (2.31) дают хорошее приближение при отсутствии поверхностного заряда.

Реально в п полупроводнике часто существует достаточно большой отрицательный поверхностный заряд, удаляющий электроны из приповерхностного слоя полупроводника. Величина такого заряда определяется плотностью поверхностных состояний. В этом случае высота барьера определяется как разностью работ выхода, так и плотностью поверхностного заряда. При очень большой плотности поверхностного заряда высота барьера определяется свойствами поверхности полупроводника и не зависит от работы выхода металла.

При контакте с полупроводником р-типа отрицательный поверхностный заряд обогащает приповерхностный слой дырками, поэтому формирование обедненного слоя, необходимого для получения выпрямляющего контакта, можно получить при работе выхода электронов из металла меньшей, чем из полупроводника р-типа. В этом случае электроны из металла переходят в валентную зону полупроводника, уменьшая тем самым концентрацию дырок в приповерхностной области.

Как следует из выражений (2.30) и (2.31), высота барьера <�р_л и <�р_р не зависит от концентрации примесей и температуры, а определяется только типом металла и полупроводника, а в реальном контакте, как отмечалось выше, — также плотностью поверхностного заряда в полупроводнике, а, следовательно, плотностью поверхностных состояний. Теоретически вычислить высоту барьера <�р" и <�р_р достаточно сложно. На практике эти величины определяют экспериментальным путем. В качестве примера в таблице 2.1 приведены значения <�р" и <�р_р для некоторых видов контактов.

Приведенные в таблице значения для <�р_я и ср_р соответствуют концентрации доноров ЛГ_Д «10¹⁵ см^-3, 7У_Й ~ 3 • 10¹⁵ см ³ при Т = = 300 К. Работа выхода из алюминия (А1) и кремния (Э1) л-типа при этих данных примерно одинакова и составляет ~4,ЗэВ, следовательно, образование барьера и обедненного слоя здесь обусловлено отрицательным поверхностным зарядом. Для контакта р—81—А1 отрицательный поверхностный заряд уменьшает высоту барьера.

Чем выше высота барьера, тем больше ширина обедненного слоя, которая, как и для р—л-перехода, уменьшается с ростом концентрации доноров.

В неравновесном контакте металла с л-полупроводником, когда к нему приложено внешнее напряжение и, происходит понижение потенциального барьера при подаче прямого смещения («плюс» к металлу при использовании л полупроводников, или «минус* к металлу для р полупроводников, см. рис. 2.14, б) и увеличение барьера при обратном напряжении («минус* к металлу при использовании л-полупроводников и, наоборот, для р-полупроводников, см. рис. 2.14, в). Прямой ток через контакт образуют электроны, движущиеся из полупроводника (стрелка Таблица 2.1.

на рис. 2.14, б для л полупроводника) с энергией большей, чем высота пониженного барьера (ф' - ?/)• Для р области прямой ток образует электроны, переходящие из металла в р полупроводник и преодолевающие потенциальный барьер д (ф_р — и).

Обратный ток /₍₎ образуется электронами, переходящими из металла в полупроводник (стрелки на рис. 2.14, в) и преодолевающими барьер <7ф_л для л-полупроводника или q^p_p для р-полупроводника. Величина тока /₀ определяется термоэмиссией электронов из металла в полупроводник и может быть вычислена по формуле.

где ф_я>р = ф_л для л полупроводников и ф_{п р} = ф_р для р-полупроводников, 8 — площадь контакта, А — постоянная термоэмиссии, имеющая разные значения для различных материалов; так, для кремния л-типа А = 110 А/(см² • К²).

С ростом ф_л и ф_р обратный ток сильно уменьшается, но при одинаковых условиях он значительно больше обратного тока р—л-перехода, где он определяется тепловым током /₀. Отличия при комнатной температуре и 7У_Д — 10¹⁵см^-3 составляют около 5 порядков; так, например, для контакта А1—л—81 /₀ = = 2 • 10^-9 А, для р⁺—л-перехода /₀ = 10″ ¹⁴ А при всех прочих равных условиях. В силу этих причин различаются и ВАХ контакта металл — полупроводник и р—л-перехода. Для сравнения на рис. 2.15 приведены ВАХ для контакта А1—(л—81) (кривая 1) и кремниевого р—л-перехода (кривая 2). Для контакта металл —.

полупроводник больший обратный ток обусловливает меньшее прямое напряжение при одинаковом прямом токе. ВАХ электрических переходов металл — полупроводник может быть получена с использованием той же формулы (2.20), что и для р—л переходов, где ток /₀ вычисляется в соответствии с выражением (2.32). При малых прямых токах ток рекомбинации заметно меньше, чем в р—л-переходе, и ВАХ реального.

Рис. 2.15.

перехода металл — полупроводник практически не отличается от теоретической. Однако в области больших прямых токов из-за наличия падения напряжения на нейтральной полупроводниковой области ВАХ может отличаться от теоретической кривой.

Что касается обратного тока, то в сильном электрическом поле и при концентрациях примесей ^У_д > 3 • 10¹⁵ см'³ толщина обедненного слоя становится очень малой, вследствие чего появляется возможность туннельного перехода электронов из металла в полупроводник, и обратный ток резко увеличивается. Кроме того, в обедненном слое полупроводника происходит тепловая генерация свободных носителей, что также увеличивает обратный ток.

Переходы металл — полупроводник (контакт Шоттки) отличаются от р— л-структур отсутствием накопления неосновных носителей при переменных процессах и высоким быстродействием.

Омический контакт. Омический контакт формируется переходом металл — полупроводник и характеризуется очень малым сопротивлением и линейной ВАХ. В хорошем омическом контакте падение напряжения при пропускании через него требуемого тока должно быть достаточно мало по сравнению с падением напряжения на активной области прибора. Наиболее важной характеристикой омического контакта является дифференциальное сопротивление при нулевом смещении.

В контакте металл — полупроводник с относительно низким уровнем легирования (7У_Д < 10¹⁷см ³) преобладает термоэлектронная компонента тока. Для получения малых Я_к в соответствии с выражением (2.32) нужно изготавливать контакт с малой высотой потенциального барьера. При высокой степени легирования полупроводника (А^_д > 10¹⁹см" ³) будет преобладать туннельная компонента тока и удельное сопротивление контакта экспоненциально зависит от параметра.

Поэтому для получения малых К_к нужны как высокая степень легирования, так и малая высота потенциального барьера. В широкозонных полупроводниках, например, ОаАв, трудно изготовить контакт с малой высотой барьера при большой работе выхода из металла, вследствие чего для изготовления омических контактов создают дополнительный высоколегированный слой на поверхности полупроводника.