Лекция 6 Контакты металл
реклама
1 ЛЕКЦИЯ 6. КОНТАКТЫ МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК Контакты металл-полупроводник получили наибольшее распространение на практике. Это связано с двумя их характерными особенностями: 1. В связи с тем, что металл и полупроводник обладают различными электрофизическими свойствами: диэлектрической проницаемостью ε, шириной запрещенной зоны ΔW (у металла ее нет, а у полупроводника она есть) и работой выхода РМ≠Pс, контакт между ними в отличие от p-n-перехода может быть как выпрямляющим, так и невыпрямляющим – омическим. 2. Проводимость в контактах металл-полупроводник осуществляется носителями одного знака (монополярная проводимость). В результате предел применимости их по частоте выше, чем для p-n-переходов. Выпрямляющие контакты используются для изготовления диодов (диоды Шоттки) способных выполнять различные функции в широком диапазоне частот, а с помощью невыпрямляющих контактов осуществляется подключение полупроводниковых приборов к внешней электрической цепи. Различные свойства указанных контактов зависят от соотношения между термодинамическими работами выхода из металла Pм и полупроводника Pп. 1. Выпрямляющие контакты металл-полупроводник На рис.1. построена энергетическая диаграмма для выпрямляющего контакта металл – широкозонный (ΔW>1эВ) электронный полупроводник, когда термодинамическая работа выхода Pм>Pn. После осуществления плотного контакта между полупроводником и металлом начинается интенсивный обмен электронами, при этом преимущественный поток будет направлен из полупроводника в металл, так как энергия электронов в полупроводнике больше, чем в металле. В результате поверхность металла будет заряжаться отрицательно, а поверхность полупроводника – положительно и между металлом и полупроводником возникнет контактная разность потенциалов φ0, которая стремится уравновесить встречные потоки электронов. За счет возникновения контактной разности потенциалов уровень Ферми в полупроводнике опустится и совпадет с уровнем Ферми в металле. Появление контактной разности потенциалов эквивалентно увеличению работы выхода из полупроводника в металл на величину ψ. Поэтому величина ψ, соответствующая равновесному состоянию, определяется как разность термодинамических работ выхода ψ=Pм–Pn. В рассматриваемом примере в поверхностном слое полупроводника шириной d образуется запорный (обедненный) слой с повышенным сопротивлением, в котором мало электронов, а положительный заряд обусловлен наличием ионизированных атомов доноров. Малая концентрация электронов вблизи контакта характеризуется увеличением расстояния между уровнем Ферми WF и дном зоны проводимости Wc(x). Поэтому для обедненного контакта границы энергетических зон полупроводника на рис.1. изгибаются вверх. Искривление энергетических зон свидетельствует о наличии электрического поля Ек вблизи поверхности полупроводника. Это поле не может повлиять на ширину запрещенной зоны ΔW и внешнюю работу выхода Рс (сродство к электрону), поскольку даже при малой глубине проникновения d~10–6 см величина этого поля не превышает ~106 В/см, в то время как напряженность внутриатомных полей, от которых зависят указанные величины, оказывается порядка 108 В/см. Поэтому после осуществления плотного контакта величины ΔW и Рс на энергетической диаграмме должны остаться неизменными. По этой причине линия W=0, соответствующая энергии свободного электрона, также искривляется, как показано на рис.1. Концентрация свободных электронов в полупроводнике по мере приближения к контакту убывает по закону 2 полупроводник n-типа металл W0 PМ W0 Ек W0 Ψ(x) Ψ=Pм–Pn ∆WFn Wc WF WFi ∆W Wv WF - Pn Pn Pc ΔP=PМ–Pc Pc ∆WFn Wc WFn WFi ∆W Wv d 0 x Рис.1. Зонная диаграмма выпрямляющего контакта металл-полупроводник в состоянии термодинамического равновесия nx N c Wc x WF . kT Из рис.1. видно, что Wc(x)–WF=ΔWFn+ψ(x), где WFn=kTln(Nc/Nd). Используя это соотношение для n(x) получим x nx n0 , (1) kT где n0=Nd – равновесная концентрация электронов в глубине полупроводника. При ψ=2.3kT≈60 мэВ концентрация электронов равна 0.1n0. Обычно контактная разность потенциалов лежит в интервале ψ=0.3÷1 эВ, поэтому можно считать, что во всей обедненной области d, где |ψ(х)|>0, заряд свободных электронов практически равен нулю и объемный положительный заряд доноров вблизи границы Qd=const. Поэтому величина этого заряда подсчитывается так же как для резкого перехода Q=qNdd. В вязи с этим ширина обедненного слоя и величина барьерной емкости могут быть определены по формулам для p-n-перехода с резким распределением примеси: d CБ 2 0 0 U , qN d 0 qN d 20 U . 2. Вольтамперная характеристика контакта металл-полупроводник Если к контакту металл-полупроводник подключить внешний источник питания, минусом к полупроводнику, а плюсом к металлу, то высота потенциального барьера уменьшится и станет равной ψ–qU (рис.2.). Уменьшение высоты барьера приведет к нарушению термодинамического равновесия. В результате электроны полупроводника начинают переходить в металл, создавая при этом ток In. Эти электроны являются основными для металла, а их концентрация ns оказывается много меньше равновесной концентрации электронов в металле nм. Поэтому нейтрализация неравновесного заряда происхо- 3 дит с максвелловским временем релаксации τМ=εε0/σ, где σ – проводимость металла. Таким образом, приборы содержащие контакт металл-полупроводник, оказываются более полупроводник n-типа металл W0 Е=Ек–Епит Е=Ек–Епит JП-М JМ-П PМ ψ–qU W ∆WFn c qU WF ΔP WF U W0 JМ-П PМ + – ∆W полупроводник n-типа металл ΔP Ψ+qU WF U W ∆WFn c qU WF – + Wv ∆W d d 0 x Рис.2. Зонная диаграмма выпрямляющего контакта металл-полупроводник смещенного в прямом направлении Wv 0 x Рис.3. Зонная диаграмма выпрямляющего контакта металл-полупроводник смещенного в обратном направлении высокочастотными по сравнению с невырожденными p-n-переходами. Электронам находящимся в металле, для того чтобы попасть в зону проводимости полупроводника, необходимо преодолеть потенциальный барьер ΔР=Рм–Рс. Высота этого барьера зависит только от работы выхода из металла Рм и полупроводника Рс и не зависит от степени легированности полупроводника. Поскольку Рм и Рс являются параметрами материала, ток, связанный с переходом электронов из металла в полупроводник, не зависит от внешнего напряжения и является величиной постоянной Iм=const. Если изменить полярность источника питания на обратную (плюс к полупроводнику, минус к металлу), то высота потенциального барьера увеличится на величину qU (рис.3.). При обратном смещении поток электронов из металла в по-прежнему останется без изменений. С другой стороны, встречный поток из полупроводника в металл уменьшится, поскольку высота барьера для электронов зоны проводимости возрастет и станет равной ψ+qU. поэтому уже при незначительных обратных напряжениях полный обратный ток через контакт будет в основном определяться потоком электронов из металла в полупроводник и, следовательно не будет зависеть от напряжения. Для полупроводниковых материалов Ge, Si, GaAs плотность термоэлектронного тока, связанная с переносом электронов из металла в полупроводник, так же как в электронной лампе равна J м - п RT 2 exp P , kT (2) 4qmk 2 [А/К2] – постоянная Ричардсона, а ΔР=Рм–Рс =ΔWFn+ψ – работа выхода h3 из металла в полупроводник. В состоянии термодинамического равновесия, когда внешнее напряжение равно нулю, этот ток уравновешивается потоком электронов , направленных из полупроводника в металл: JП-М=qvsn(0), (3) где R 4 8kT – тепловая скорость электронов, n(0) – концентрация электронов в полуm проводнике, на границе полупроводник-металл при U=0. Приравнивая формулы (2) и (3) получим где vs 3 n0 J М-П qvs P Pc 1 WFn 1 2mkT 2 2 exp М N c exp 3 4 h kT 4 kT (4) 3 2mn kT 2 – эффективная плотность квантовых состояний у дна зоны проводигде N c 2 2 h мости. Сравнивая (4) с (1) легко установить, что n0 ns 0 , где ns(0) – концентрация электро1 4 нов на границе полупроводника при U=0, т.е. WFn ns 0 N c exp n0 exp , kT kT где n0 – равновесная концентрация электронов вдали от контакта. При изменении внешнего смещения U граничная концентрация ns(0) будет изменяться в соответствии с изменением высоты потенциального барьера ψ–qU и, следовательно, будет меняться величина тока из полупроводника в металл 1 1 qU 1 qU J П - М qvs ns U qvs n0 exp qvs ns 0 exp 4 4 kT 4 kT Результирующий электронный ток равен разности 1 qU U J J П - М J М - П qvs ns 0 exp 1 J s exp 1 J s exp U 1 , 4 kT T где T I kT q - термический потенциал, а 1 - величина обратная термическому T потенциалу. Полученное выражение совпадает с формулой ВАХ идеального p-n-перехода. Однако выражение для обратного тока ВАХ идеального перехода металлполупроводник насыщения J s qvs ns 0 отличается от вы1 4 ражения для обратного тока насыщения идеального p-n-перехода J 0 0 ВАХ реального перехода металл-полупроводник Рис.4. ВАХ перехода металлполупроводник ской, т.к.: U qDp Pn Lp qDn n p Ln , не только количественно, но и по физическому смыслу. В p-n-переходе обратный ток связан с экстракцией неосновных носителей, а в контакте металлполупроводник – с инжекцией основных носителей из металла в полупроводник. Вольтамперная характеристика перехода металл-полупроводник приведена на рис.4. Экспериментальная зависимость I=f(U) хорошо согласуется с теоретиче- 5 1) уровень инжекции всегда мал ns(0)<<nм, максимальная концентрация электронов при полностью открытом переходе ns(0)=Nd~1015÷1017 см–3, а концентрация электронов в металле nм~1022см–3, 2) сопротивление потерь при малой толщине базы и высокой степени легированности полупроводника мало и слабо влияет на АЧХ. Отличие наблюдается только при больших обратных напряжениях, когда происходит электрический пробой перехода. 3. Образование инверсного слоя в барьерах Шоттки На рис.5. представлена энергетическая диаграмма для выпрямляющего контакта металл – узкозонный (ΔW<1эВ) электронный полупроводник, когда Pм>Pn. В состоянии термодинамического равновесия неосновные носители (дырки в полупроводнике n-типа) скапливаются на границе с металлом. Если концентрация дырок p превышает концентрацию электронов n, то в плоскости контакта образуется слой с инверсным типом проводимости. Образование инверсного слоя сильно изменяет электрические свойства контакт металлполупроводник. металл полупроводник n-типа W0 Ек Ψ(x) PМ W0 Pc Pn ψ W ∆WFn c WF WFi ∆W Wv ΔP=PМ–Pc WF p>n полупроводник p-типа p<n полупроводник d n-типа 0 p=n полупроводник i-типа x Рис.5. Образование слоя с инверсной проводимостью в контакте металл-полупроводник 4. Невыпрямляющие (омические) контакты металл-полупроводник С помощью омических невыпрямляющих контактов происходит электрическое соединение полупроводников с металлическими проводниками. От качества этих контактов в значительной степени зависят параметры и характеристики приборов, а также их надежность и срок службы. Основные требования комическим контактам: 1) при прямом смещении они должны обеспечивать инжекцию основных носителей в полупроводник; 2) при обратном смещении препятствовать инжекции неосновных носителей в полупроводник; 3) иметь минимальное электрическое сопротивление; 4) иметь линейную вольт-амперную характеристику (ВАХ). Эти условия выполняются при правильном подборе пары металл – полупроводник. Зонная диаграмма контакта металл - полупроводник n-типа приведена на рис. 6. Для этой пары должно выполняться соотношение Рм<Рn, где Рм – термодинамическая (внешняя) работа выхода электрона из металла, а Рn – из полупроводника n-типа. В такой паре энергия электронов в металле больше, чем в полупроводнике, и при установлении термодинамического равновесия часть электронов из металла перетекает в полупроводник. Уровень Ферми WF в металле и полупроводнике выравнивается. Вблизи металлургической 6 металл Рм <Рn переход металл – полупроводник n-типа полупроводник W=0 Eк Рм полупроводник n-типа W0 Рn Рс Pc InE InD Wc ∆WFn ψ WF ∆WFn W dn dм Pn Wc WFn ΔP=∆WFn–ψ ∆W =q 0 Wv Wv x Рис.6. Зонная диаграмма омического контакта металл – полупроводник n - типа в состоянии термодинамического равновесия границы со стороны металла возникает тонкий слой dм, обедненный электронами (т.е. заряженный положительно), а со стороны полупроводника – слой dn, обогащенный электронами. Контактное электрическое поле Ек направлено из металла в полупроводник. Оно приводит к изгибу уровней энергии дна зоны проводимости Wc и верха валентной зоны Wc в области dn. Однако напряженность контактного поля на несколько порядков меньше внутриатомной, поэтому ширина запрещенной зоны W и внешняя работа выхода Рс остаются постоянными. Поле Ек способствует электрическому дрейфу основных носителей электронов из полупроводника в металл и препятствует дрейфу неосновных носитепрямосмещенный полупроводник n- обратносмещенный омический контакт омический контакт типа металл металл Eк Eк Еп Wc WF − U + W dобр Wv dпр барьер для дырок Рис.7. Зонная диаграмма полупроводника n-типа с двумя омическими контактами при внешнем смещении 7 лей дырок. В состоянии термодинамического равновесия дрейфовая InE и диффузионная InD, составляющие электронного тока через металлургическую границу, уравновешивают друг друга. Большая концентрация электронов в области контакта обеспечивает его высокую проводимость при любой полярности внешнего смещения. Потенциальный барьер = q препятствует инжекции неосновных носителей – дырок.Зонная диаграмма полупроводника n - типа с двумя омическими контактами при внешнем смещении приведена на рис.7. Проводимость металлов на несколько порядков больше проводимости полупроводников, поэтому практически все напряжение U будет приложено к полупроводнику n - типа, потенциал вдоль него изменяется линейно, также изменяется энергия электронов, и уровень Ферми имеет наклон. Левый омический контакт оказывается прямосмещенным, его толщина dпр становится меньше dn, и через небольшой горбик электроны из металла инжектируются в полупроводник n-типа, затем они скатываются вниз по наклону дна зоны проводимости, достигают обогащенной электронами зоны правого обратносмещенного контакта и через металлургическую границу попадают (стекают) в правый металлический контакт, откуда уходят во внешнюю цепь. Дырки из правого контакта не могут преодолеть потенциальный барьер и инжектироваться в полупроводник. Неосновные носители практически не участвуют в проводимости полупроводника. Зонная диаграмма контакта металл – полупроводник р-типа в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис.8. Для этой пары должно соблюдаться условие Рм >Рр, тогда при установлении термодинамического равновесия Eк направлено из полупроводника в металл, вблизи металлургической границы возникает обогащенная дырками область, а неосновные носители – электроны находятся в потенциальной яме глубиной = q и не могут инжектироваться в металл. металл Рм >Рр переход металл – полупроводник полупроводник р-типа W=0 Рм Рp Eк Рс = q Wc dм W dр WF Wv IрD IрE Рис.8. Зонная диаграмма омического контакта металл – полупроводник р- типа в состоянии термодинамического равновесия 8 I Вольтамперная характеристика омического контакта металл-полупроводник приве1 дена на рис.9. Характеристика является линейной, небольшие нелинейности возникают при 2 больших прямых и обратных напряжениях. Изготовление омических контактов связано с большими трудностями. Концентрация дефектов и примесей на поверхности полупро0 U водников существенно выше, чем в глубине монокристалла. На поверхности образуются обедненные основными носителями области и слои с инверсным типом проводимости, что существенно ухудшает свойства омических контактов. Для устранения этих недостатков создаются омические М–n+–n или М–р+–р конРис.9. ВАХ омического контакта метакты. Зонная диаграмма контакта М–n+–n в талл-полупроводник: 1- n-типа, 2- p-типа состоянии термодинамического равновесия приведена на рис.10. В связи с тем что металл контактирует с вырожденным полупроводником n+-типа, поверхностные дефекты не оказывают существенного влияния на качество контакта, а граница раздела вырожденный полупроводник n+ – низколегированный полупроводник n-типа находится в глубине монокристалла, где концентрация примесей и дефектов меньше, чем на поверхности. Аналогично изготавливают контакт М–р+–р. металл вырожденный полупроводник n+ низколегированный полупроводник n -типа Wc WF Wv Рис.10. Зонная диаграмма омического контакта М–n+–n в состоянии термодинамического равновесия
