1.2. Контактная разность потенциалов

Если два твердых тела с разными значениями термодинамической работы выхода привести в контакт, то между ними возникнет контактная разность потенциалов. Выражение для нее получим, рассматривая обмен термоэлектронными потоками между металлической и полупроводниковой пластинами, находящимися в вакууме на расстоянии d_мп друг от друга. В вакууме так же, как и при непосредственном контакте твердых тел, осуществляется свободный обмен электронами между ними.

Предположим, что термодинамическая работа выхода у полупроводника n-типа

(х_п) меньше, чем у металла (х_м) (рисунок 2).

Рисунок 2. Энергетическая диаграмма системы металл-вакуум-полупроводник:

а) исходное состояние, б) после установления равновесия

Тогда поток электронов из полупроводника будет больше, чем из металла. В результате этого на металле появится отрицательный заряд избыточных электронов, а на полупроводнике - положительный, обусловленный (Uк), что приводит к появлению разности потенциальных энергий электрона в металле и полупроводнике:

Ф = -eU_K.

Значение потенциальной энергии электрона в металле станет больше, чем в полупроводнике.

Теперь электрону для перехода из полупроводника в металл необходимо преодолевать потенциальный барьер, высота которого равна Х_п+ Ф. При достижении Ф некоторого значения Фо термоэлектронные потоки из металла и полупроводника станут одинаковыми. Тогда из соотношения (8) следует, что

Пренебрегая различием эффективных масс электрона в металле и полупроводнике, получим

Фо = Хм-Хп. (9)

Контактная разность потенциалов

(10)

Равенство (9) означает, что в термодинамическом равновесии уровни Ферми в металле и полупроводнике должны совпадать (рис. 2,6). Это положение справедливо для любых твердых тел, обменивающихся термоэлектронными потоками.

При больших значениях d_мп избыточные заряды, задающие контактную разность потенциалов, локализованы на поверхности пластин. Действительно, глубина проникновения избыточного заряда в твердое тело , где Ns - плотность, например, избыточных электронов на поверхности металла, а n₀ - равновесная концентрация электронов в объеме. Поверхностную плотность электронов можно выразить через поверхностную плотность заряда Ns = Qs/l. Для двух бесконечных плоскопараллельных заряженных пластин , где – электрическая постоянная, - напряженность электрического поля в зазоре между пластинами. Поскольку поле в зазоре однородно, то и

(11)

Из-за диффузионного выравнивания концентрации электронов в полупроводнике толщина приповерхностного слоя, из которого частично уйдут электроны, на самом деле будет составлять несколько межатомных расстояний

Ясно, что по мере сближения пластин d будет увеличиваться.

3. Контакт полупроводника с металлом. Запорный слой

Рассмотрим тесный контакт полупроводника n-типа с металлом, когда расстояние между ними не превышает 10 ^-7 см. Такая величина зазора реализуется если на поверхности полупроводника не имеется заметного слоя окисла. Если то при см из соотношения (11) следует, что d= 5*10^-7 см , т.е. слой, обедненный основными носителями заряда, должен простираться в глубь полупроводника на значительное расстояние. В металле избыточные электроны будут находиться на поверхности, так как n₀ для него велико.

Поскольку приповерхностный слой полупроводника, обедненный основными носителями заряда, препятствует протеканию тока через контакт, то он называется запорным слоем.

Запорный слой – это приповерхностный слой полупроводника, с пониженной концентрацией основных носителей заряда. Образуется около контакта с металлом, гетероперехода, моноперехода, свободной поверхности.

В запорном слое нарушается условие электронейтральности, так как удаление электронов из полупроводника приводит к возникновению положительного объемного или пространственного заряда, задаваемого, в основном, ионами донорной примеси.

Электронейтральность – это энергия, при которой химический потенциал находиться между зоной проводимости и валентной зоной.

Донорные примеси – атомы химических элементов, внедренные в кристаллическую решетку полупроводника и создают дополнительную концентрацию электронов. Донорными примесями являются химические элементы внедренные в полупроводник с меньшей чем у примеси валентностью.