Лабораторная работа № 2 исследование металло-полупроводниковых переходов

1. Цель работы

Целью работы является исследование металло-полупроводниковых переходов при использовании различных сочетаний металла и полупроводника. При этом определяются следующие характеристики и параметры:

– тип контакта (омический или Шотки);

– сопротивление омического контакта.

Для контакта Шотки при U = 0 определяются:

– контактная разность потенциалов;

– толщина;

– тепловой ток;

– барьерная емкость.

2. Краткие теоретические сведения

Контакт металл-полупроводник, как и р-n переход, относится к наиболее распространенным в электронике типам контактов. Чаще всего это обычный, омический контакт, сопротивление которого невелико и не зависит от знака и величины приложенного напряжения. Однако некоторые металлы и полупроводники образуют так называемые контакты Шотки, обладающие, как и р-n переход, односторонней проводимостью. Такие контакты используются в диодах Шотки и некоторых типах транзисторов.

Характер контакта металл–полупроводник зависит от соотношения работ выхода¹ контактирующего металла q_м и полупроводника q_п. Если, например, q_мq_п, будет преобладать диффузия электронов из металла в полупроводник. При этом в m-n переходе в приграничной области полупроводника образуется избыток свободных электронов, т.е. обогащенный слой, рис. 1. В таком виде в контакте подвижные носители имеются во всех его частях, и поэтому он обладает очень маленьким электрическим сопротивлением. При этом же соотношении q_мq_п в m-p переходе также преобладает диффузия электронов из металла в полупроводник. Однако из-за рекомбинации электронов с дырками в р-области образуется не обогащенный, а обедненный слой с очень низкой концентрацией подвижных носителей, т.е. с большим сопротивлением. Уменьшение концентрации основных носителей приводит к появлению нескомпенсированных отрицательных ионов акцепторной примеси. Их заряд, вместе с положительным зарядом ионов в приграничной части m-области, образует два слоя зарядов, создающих собственное поле m-p перехода. Как и в р-n переходе, собственное поле обуславливает равновесие диффузии и дрейфа и «перемешивания» носителей не происходит.

Рис. 1 Металло-полупроводниковые переходы при q_м  q_п

Аналогично, при q_м  q_п в m-n переходе образуется обедненный слой, а в m-p – обогащенный. Поэтому в этом случае m-n переход – выпрямляющий (Шотки), а m-p – омический.

Рис.2. Металло-полупроводниковые переходы при q_м  q_п

В реальном металло-полупроводниковом переходе обычно существует еще один слой зарядов – на поверхности полупроводника (поверхностный заряд). Он возникает из-за дефектов кристаллической решетки полупроводника в его поверхностном слое и из-за захвата поверхностью посторонних акцепторных и донорных примесей. Поверхностный заряд может сильно влиять на электрические характеристики перехода, вплоть до изменения самого характера контакта (омический или Шотки). Поэтому диоды Шотки получили распространение намного позже р-n диодов, когда была создана технология, обеспечивающая высококачественный контакт металла с предельно чистой и бездефектной поверхностью полупроводника. Только у таких переходов контактная разность потенциалов _к0 близка к идеализированному значению

_к0 = _m – _п (1)

В настоящей работе металло-полупроводниковый переход полагается идеальным, описывающимся уравнением (1).

Если контакт омический, т.е. предназначен для подключения к полупроводниковой области, его наиболее важным параметром является сопротивление R. У такого контакта сопротивление практически не зависит от сопротивления m-области и обогащенного слоя. Поэтому R омического контакта определяется размерами и параметрами нейтральной части полупроводника:

L

R  –––––––, (2)

qSN

где L и S – толщина и площадь поперечного сечения нейтрального слоя,  и N – коэффициент подвижности и концентрация примеси в полупроводниковой области.

В случае контакта Шотки, когда используются его нелинейные свойства, важнейшими параметрами являются:

1. Контактная разность потенциалов в отсутствие внешнего напряжения _к0, (1). Её величина примерно соответствует значению прямого напряжения U_пр, при котором собственное поле перехода и обедненный слой практически исчезают и возникает большой прямой ток. U_пр определяет тепловые потери P_расс = U_пр  I_пр и к.п.д. выпрямителей с диодами Шотки. По этим параметрам они значительно превосходят кремниевые р-n диоды.

2. Тепловой ток I₀, определяющий масштаб идеализированной ВАХ:

I = I₀(e^U/_T – 1) , (3)

I₀ = SAT²e^-k0^/T , (4)

где А – константа, зависящая от типа полупроводника, Т – абсолютная температура, _T = kT/q – термический потенциал.

3. Толщина перехода L, от которой зависит напряженность поля в переходе E  U/L и поэтому – напряжение пробоя. Так как концентрация подвижных носителей в металле и полупроводнике высокая, толщина перехода определяется практически только толщиной обедненного слоя. В отсутствие внешнего напряжения толщина идеализированного контакта Шотки определяется аналогичным для р-n перехода выражением:

(5)

4

(6)

. Барьерная емкость C_б, определяющая частотные и импульсные свойства контакта Шотки. В отсутствие внешнего напряжения, как и для р-n перехода,

Процессы в контакте Шотки и в р-n переходе обнаруживают значительное сходство (наличие собственного электрического поля и обедненного слоя, вид идеализированной ВАХ и другое). Имеются, однако, существенные отличия, определяющие важные преимущества диодов Шотки:

– в открытом контакте Шотки не происходит образования диффузионного заряда неосновных носителей, как в р-n переходе. Поэтому у диодов Шотки нет диффузионной емкости, их частотные и импульсные свойства потенциально много лучше;

– в диодах Шотки можно получить значительно меньшие напряжения открытого состояния по сравнению с кремниевыми р-п диодами. Поэтому тепловые потери в диодах Шотки значительно меньше.