Главная | Обратная связь

Реальный контакт металл – полупроводник

 

При описании ВАХ реальных диодов на основе запорных контактов необходимо учитывать следующие особенности.

1. Наличие на поверхности полупроводника встроенного экранирующего поля

Это поле образуется вследствие заряда на поверхностных состояниях донорной либо акцепторной природы. Донорное состояние может быть либо нейтральным, либо положительным (атом отдал электрон). Акцепторное состояние – нейтральным, либо отрицательным.

Различают три типа поверхностных уровней: уровни Тамма, уровни Шокли и уровни, вводимые адсорбированными инородными атомами. Природа уровней Тамма связана со скачком потенциала на поверхности. В результате в запрещённой зоне в слое порядка постоянной решётки, около пяти ангстрем, существуют разрешённые состояния с поверхностной плотностью около 10¹⁵ см^–2. Экспериментально такая плотность поверхностных уровней пока не обнаружена. Уровни Шокли связывают с нарушением периодичности кристалла на поверхности. В результате механической обработки полупроводника (резка, шлифовка, полировка) создаётся нарушенный слой толщиной до 10^–4 см, в котором постоянная решётки отлична от объемной. В пределах этого слоя встраиваются разрешенные уровни в запрещённой зоне полупроводника с плотностью 10¹¹ – 10¹³ см^–2.

Поверхность полупроводника адсорбирует инородные атомы и молекулы из окружающей атмосферы (O₂, N₂, H₂O, и т. д.). Это приводит к локальным скачкам потенциала и появлению разрешённых состояний. Плотность этих состояний зависит от степени очистки поверхности и контроля состава атмосферы перед корпусированием и составляет 10⁹ – 10¹² см^–2.

Результат действия этих уровней заключается во встраивании поверхностного заряда Q_SS и потенциала Y_S , создающих встроенное электрическое поле на поверхности ε_s (рисунок 4.22). При контакте с металлом это поле будет экранировать действие контактного поля, обусловленного термоэлектронной эмиссией. В результате может измениться не только величина Ф_В, но и тип контакта (ожидали запорный, а получили антизапорный). По этой причине затруднительно получить запорный контакт на p-полупроводнике. Все диоды Шоттки реализуются на n-полупроводнике, в частности, для Si, GaAs и GaP, заряд акцепторных поверхностных уровней обеспечивает величину барьера

и не зависит существенно от работы выхода металла.

 

а) б)

Рисунок 4.22 - Влияние акцепторных поверхностных состояний в n и p-полупроводнике

а) эксклюзия основных носителей заряда и образование обедненного слоя

б) аккумуляция ОНЗ и образование обогащенного слоя

2. Влияние сил зеркального изображения (эффект Шоттки)

Поток термоэмиссии электронов из металла в полупроводник создает дополни-тельное электрическое поле, вызванное силами зеркального изображения (рисунок 4.23). Это поле направлено против контактного и понижает величину барьера Ф_В0

, (4.31)

где ,

плюс соответствует обратному, а минус – прямому смещению. В прямом смещении для диодной теории при U > 3j_T

,

 

или

.

 

Так как DФ уменьшается с ростом прямого смещения, то j_пр растет медленней с напряжением, чем экспонента U/j_Т. В первом приближении этот эффект учитывают введением коэффициента неидеальности m.

 

, (4.32)

 

где 1 £ m £1,3.

Рисунок 4.23 - Энергетическая диаграмма запорного контакта с учетом

эффекта Шоттки в прямом смещении

 

В обратном смещении

.

Наблюдается увеличение обратного тока с ростом обратного напряжения.

3. Наличие туннельнопрозрачного диэлектрического слоя

При толщине окисла порядка 10^–7 см носители проскакивают этот барьер без изменения энергии (туннелируют). В результате часть потенциала смещения падает на диэлектрике, и для отражения этого вводят коэффициент неидеальности

, (4.33)

где 1 £ m £ 1,5.

4. Генерация носителей заряда в ОПЗ контакта при обратном смещении

При обратном смещении ОПЗ расширяется (4.26). Генерируемые в этой области электронно-дырочные пары разделяются полем ОПЗ и создают в цепи дополнительный ток I_G0. Поэтому обратный ток будет определяться суммой надбарьерного тока из металла плюс ток термогенерации.

; (4.34)

,

где t_p – время жизни дырок (неравновесных носителей заряда). Этот эффект также приводит к росту обратного тока с увеличением напряжения при малом времени жизни в полупроводнике.