Материал: Контактые явления

Контактные явления

В зависимости от конкретной задачи к контакту различных материалов предъявляют определенные требования:

1. Омический контакт – должен:

- обладать малым сопротивлением,

- не искажать форму сигнала,

- не создавать в цепи электрических шумов.

Вольт-амперная характеристика такого контакта линейная.

2. Нелинейный контакт осуществляет нелинейное преобразование сигнала:

- выпрямление,

-модуляцию,

- умножение частоты,

- формирование сигнала и др.

Такие контакты имеют ярко выраженную нелинейную характеристику со специальными требованиями в каждом конкретном случае.

Простой механический контакт двух материалов никогда не дает желаемых результатов, т.к. при этом на соприкасаемых поверхностях сохраняются атомы и молекулы адсорбированных газов, поверхностные окисные пленки, поверхность содержит много дефектов структуры – царапины, выступы и т.п. Однородный контакт получить невозможно.

Для получения контактов используют метод вытягивания из расплавов с переменным составом или методы диффузии примесей, эпитаксиальной наращивание, вакуумное напыление.

Эпитаксиальным наращиванием называется процесс роста слоев, кристаллическая решетка которых определенным образом ориентирована относительно исходного кристалла – подложки.

Очень эффективен метод получения p – n перехода путем легирования полупроводника необходимой примесью с помощью ионного пучка – метод ионного внедрения.

Контакт металл – полупроводник.

Электроны проводимости взаимодействуют с ионами кристаллической решетки и удерживаются в твердом теле за счет электростатических сил.

Для преодоления этих сил и выхода за пределы твердого тела электрону необходимо совершить некоторую работу, т.е. иметь запас дополнительной энергии.

Работой выхода называется энергия, которая необходима для перехода электрона со дна зоны проводимости (уровня Ферми) – минимальная энергия свободного электрона в проводнике до уровня свободного электрона в вакууме. Причем скорость электрона в вакууме (вне твердого тела) равна нулю.

Внешняя работа выхода определяется свойствами кристаллической решетки составляет для различных металлов и полупроводников от 1 до 6 зВ.

Т.о. электроны проводимости в кристаллах отделены от вакуума потенциальным барьером высотой W_а. Несмотря на значительную величину этого потенциального барьера, часть электронов проводимости может его преодолеть, т. е. выйти за границы кристалла.

При контакте металла с полупроводником возникает контактная разность потенциалов, определяемая разностью работ выхода электронов из этих материалов.

W_Σ = W_м – W_п/п

φ = W_Σ /q

φ – контактная разность потенциалов.

В зависимости от соотношения работ выхода и типа электропроводности полупроводника возможны четыре типичных ситуации при контакте металла и полупроводника.

Рассмотрим возможные варианты:

1. Пусть работа выхода из металла больше, чем работа выхода их полупроводника с электронной проводимостью

W_М > W_{П/П n}

Если привести эти материалы в идеальное соприкосновение, из-за разности работ выхода, электроны из полупроводника устремятся в металл.

В результате, на поверхности металла образуется отрицательный заряд, который будет препятствовать дальнейшему переходу электронов в металл из полупроводника.

В равновесном состоянии между металлом и полупроводником установится разность потенциалов, которая уравновешивает диффузионный ток электронов из полупроводника в металл, образовавшийся за счет разности работ выхода, и и дрейфовый поток электронов их металла в полупроводник, возникающий за счет разности потенциалов на контакте.

Приконтактный слой полупроводника обедняется основными носителями заряда, в нем остаются нескомпенсированные положительные ионы донорной примеси. Этот слой обладает повышенным сопротивлением. Его называют запирающим

2. Пусть работа выхода из металла меньше, чем работа выхода их полупроводника с электронной проводимостью

W_М < W_{П/П n}

При контакте электроны из металла будут переходить в полупроводник, обогащая приконтактный слой основными носителями заряда и создавая слой повышенной проводимости, который называется обогащенным.

3. При контакте металла с акцепторным полупроводником, при условии, что работа выхода из металла больше, чем работа выхода из полупроводника

W_М > W_{П/П p}

в момент контакта, часть электронов из полупроводника перейдет в металл.

В результате в полупроводнике в приконтактной области образуется обогащенный слой (основные носители заряда дырки), т.е. сопротивление уменьшится.

4. Если при контакте металла с акцепторным полупроводником работа выхода из металла меньше, чем работа выхода из полупроводника

W_М < W_{П/П p}

в приконтактном слое образуется запирающий слой, т.к. часть основных носителей заряда – дырок рекомбинируют с электронами из металла и сопротивление возрастет.

При большой разности работ выхода электронов из металла и полупроводника в приконтактном слое может произойти смена типа проводимости. Т.е. в полупроводнике n-типа может возникнуть дырочныя проводимость за счет того, что при обеднении приконтактного слоя основными носителями заряда – электронами их концентрация становится меньше, чем концентрация неосновных носителей заряда – дырок. Такой слой называется инверсным.

Инверсный слой может образоваться и в дырочном полупроводнике, если работа выхода электрона из металла существенно меньше, чем работа выхода из полупроводника p – типа.

При приложении к системе металл-п/п внешнего электрического поля напряжением U с полярностью, противоположной полярности контактной разности потенциалов, потенциальный барьер снизится на величину qU, т.е. сопротивление будет уменьшаться (прямое направление).

В случае, когда qU = W_Σ, потенциальный барьер исчезнет, а в приконтактном слое удельное сопротивление будет таким же, как во всем объеме полупроводника. Ток через контакт будет значительным.

Если внешнее поле совпадает по направлению с полярностью приконтактной разности потенциалов, то высота потенциального барьера увеличится, т.е. увеличится ширина обедненного слоя и сопротивление контакта. Такое напряжение (внешнее поле) называется запирающим.

Вольт-амперная характеристика контакта металл – полупроводник выглядит также, как характеристика выпрямляющего контакта.

Контакт двух полупроводников с разным типом проводимости

p – n переход.

Такие переходы получили широкое распространение при создании активных и пассивных схем.

Создать p – n переход можно несколькими способами:

- плавлением;

- диффузией;

- эпитаксиальным наращиванием.

Поверхность по которой контактирует p -слой и n -слой называется металлургической границей.

p – n переход можно разделить по резкости металлургической границы:

1. Ступенчатый переход – идеальная граница, т.е. с одной стороны доноры с концентрацией N_n, а с другой акцепторы с концентрацией N_p. Такие переходы на практике отсутствуют, их используют только при анализе физических процессов, протекающих в приграничной области.

2. Плавный переход – в этом случае в районе металлургической границы концентрация одного типа примеси постоянно уменьшается, а другого – растет. Сама металлургическая граница в этом случае соответствует состоянию N_n = N_p, т.е. находится в том месте, где полупроводник является компенсированным.

В зависимости от соотношения концентраций примеси в полупроводниках все p – n переходы можно разделить:

• симметричные N_n = N_p

• несимметричные N_n ≠ N_p

• односторонние N_n >> N_p или N_n << N_p

Если асимметрия резкая, т.е. концентрация отличается на 1 – 2 порядка и более, такой переход называется односторонняя и обозначается p⁺ – n переход, или p – n⁺ переход, + указывает на слой со значительной концентрацией примеси.

Предположим, что полупроводники p – типа и n – типа приведены в идеальное соприкосновение. В области p много дырок, а в области n много электронов. В начальный момент времени, за счет разности концентраций начнется диффузия электронов из n – области в p –область и диффузия дырок из p – области в n – область. В n – области электроны рекомбинируют с дырками из p – области и наоборот. Вероятность рекомбинации пропорциональна концентрации примеси.

В результате этого, в p – области у границы раздела останутся нескомпенсированные ионы акцепторов, которые создадут объемный отрицательный заряд, а в n – области у границы раздела останутся нескомпенсированные ионы доноров, которые создадут объемный положительный заряд. Т.о. приграничная область окажется обедненной основными носителями заряда и образуется слой с высоким сопротивлением. Эта область называется обедненным слоем, а ширина этой области является толщиной p – n перехода.

Образовавшийся объемный заряд будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и дырок, т.е. нескомпенсированные ионы примеси создадут на границе раздела потенциальный барьер, преодолеть который могут только те основные носители, которые обладают достаточной кинетической энергией.

В равновесном состоянии система будет находится при условии равенства тока диффузии, который вызван градиентом концентрации носителей заряда и током, возникшим за счет электрического поля объемного заряда.

Если к p – n переходу приложить внешнее электрическое поле + к области n и минус к области p, то высота потенциального барьера увеличится и ток через p – n переход будет незначительным (он будет определятся током неосновных носителей, для которых такое внешнее поле является ускоряющим). Т.к. концентрация неосновных носителей заряда в примесном полупроводнике мала, ток будет незначительным – обратный ток, а напряжение называется запирающим.

При смене полярности внешнего напряжения высота потенциального барьера уменьшится, а вместе с этим уменьшится и его сопротивление. Ток через границу полупроводников возрастет – прямой ток.

Гетеропереходом называется электрический переход при контакте двух полупроводников, имеющих разную ширину запрещенной зоны.

Гетеропереход может быть на основе полупроводников с разным типом проводимости и одним типом проводимости. Единственным требованием при этом является близкие по значению параметры кристаллических решеток полупроводников.