ГЛАВА 7

КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Контактные явления играют исключительно важную роль в электронике вообще и в микроэлектронике в особенности: контакты металл-

металл, металл-полупроводник, полупроводник-полупроводник, сверх-

проводник-диэлектрик – практически все материалы участвуют в контактах электронных и микроэлектронных приборов и устройств.

Все электрические контакты принято относить к одной из трех групп: омической, нелинейной или инжектирующей. В зависимости от конкретной задачи, выполняемой контактом, к нему предъявляются различные требования.

Омический контакт должен обладать возможно малым сопротивлением, не вносить искажений в проходящий сигнал и не создавать в цепи электрических шумов. Его вольт-амперная характеристика (ВАХ) должна быть линейной.

Нелинейный контакт, напротив, должен иметь резко нелинейную характеристику, поскольку такие контакты осуществляют нелинейные преобразования сигналов (выпрямление, детектирование, генерирование и т.п.). В зависимости от выполняемой функции к нелинейным контактам предъявляются конкретные, часто противоречивые требования, касающиеся величины обратного тока, толщины p-n перехода, крутизны характеристики и т.д.

Инжектирующие контакты лежат в основе биполярных транзисторов и светодиодных лазеров. Они должны обладать способностью инжектировать не основные носители только в одном направлении. Для этого такой контакт должен быть резко асимметричным, иметь большую диффузионную длину и малую базовую область, чтобы неосновные носители проходили ее, не успев рекомбинировать.

В настоящей главе будут рассмотрены процессы в контактах, используемых в объемных полупроводниковых приборах и интегральных схемах. Это контакты металл – металл, металл – полупроводник, по-

158

лупроводник – полупроводник. Некоторые другие контакты рассмотрены в разделе 5.7 и главе 9.

7.1. Работа выхода электрона. Контакт металл – металл

В разделе 4.1 показано, что при сближении атомов и образовании из них кристалла их потенциальные барьеры понижаются и сужаются. Потенциальные барьеры поверхностных атомов остаются практически столь же высокими, как у изолированных атомов. Поэтому кристалл можно рассматривать как большую потенциальную яму для электронов.

Электрон, покинувший кристалл и находящийся над его поверхностью, индуцирует в последнем заряд. Наведенный заряд действует на вышедший электрон так, как если бы он находился в кристалле на глубине х от поверхности в точке, симметричной той, где находится электрон. Индуцированный заряд +е называют электрическим изображением заряда -е. Он притягивает электрон с силой

называемой силой электрического изображения. Против этой силы и совершается работа по перемещению электрона из кристалла на некий нулевой уровень Е0, где на электрон уже не действует поле кристалла. Эта работа называется работой выхода.

Очевидно, что величина ее зависит от энергии электрона в кристалле. Работу выхода, которую отсчитывают от уровня Ферми, называют термодинамической работой выхода χ (рис. 7.1, а). Для металлов смысл термодинамической работы выхода прозрачен, поскольку в них уровень Ферми заполнен электронами. Для полупроводника или диэлектрика термодинамическая работа выхода электрона не соответствует работе выхода какого-либо конкретного электрона, если уровень Ферми находится в запретной зоне и не совпадает с каким-либо уровнем примеси

(рис. 7.1, б).

159

Рис. 7.1. Работа выхода: а – металл; б – полупроводник, диэлектрик; Е0 – нулевой энергетический уровень

Однако, как показывают расчеты, и в этом случае величина термодинамической работы выхода должна отсчитываться от уровня Ферми. Большое влияние на работу выхода оказывает состояние поверхности, в частности, адсорбционные мономолекулярные слои. Например, атомы цезия, нанесенные на поверхность вольфрама, ионизируются и создают поверхностный положительный заряд. В вольфраме силы электрического изображения создают отрицательный заряд, удерживающий ионы цезия на поверхности. Образуется двойной заряженный слой, поле которого уменьшает работу выхода с 4,52 до 1,36 эВ. Уменьшение работы выхода находит широкое применение при проектировании катодов электронных ламп.

Контакты металл – металл играют большую роль, особенно в микроэлектронике. Это обусловлено тем, что в микроэлектронных устройствах используются рабочие напряжения, близкие по величине к контактным разностям потенциалов. Все интегральные схемы представляют собой устройства с огромным количеством контактов.

Рассмотрим процессы, происходящие при сближении, и контакты двух электронных проводников, например металлов. Подчеркнем, что этот процесс носит идеальный характер, поскольку в нем не учитываются свойства контактирующих поверхностей.

В изолированном состоянии электронный газ в проводниках характеризуется уровнями Ферми Еф1 и Еф2 (рис. 7.2, а).

160