Тема 3. В зависимости от конкретной задачи к контакту различных материалов предъявляют определенные требования

• Название: В зависимости от конкретной задачи к контакту различных материалов предъявляют определенные требования
• Дата: 12.04.2023
• Размер: 243.91 Kb.
• Имя файла: Тема 3.docx
• Тип: Документы; #1058054

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.

Эффект поля.

Наличие у реальных кристаллов полупроводника конечных размеров приводит к обрыву кристаллической решетки на поверхности. Т.е. в поверхностном слое кристалла не все ковалентные связи будут завершены. Это означает, что поверхность кристалла полупроводника обладает проводимостью типа p.

Такие поверхностные уровни называются уровнями Тамма.

Эффектом поля называется изменение концентрации носителей заряда в приповерхностном слое полупроводника под действием электрического поля.

Слой с повышенной концентрацией основных носителей называют обогащенным, а слой с пониженной концентрацией – обедненным.

Пусть между металлом и полупроводником, разделенными диэлектриком, задано напряжение U. (Рис. 1)

Очевидно, что в системе МДП протекание тока невозможно. Поэтому такая система равновесна и представляет собой конденсатор, у которого одна из обкладок полупроводник. На этой обкладке будет наведен такой же заряд, как и на металлической. Но в отличии от металла, заряд в полупроводнике не сосредотачивается на поверхности, а распространяется на некоторое расстояние в глубь кристалла.

Электрическое поле распределяется между диэлектриком и полупроводником. Поле в диэлектрике постоянное, а поле в полупроводнике непостоянное, т.к. заряд спадает от поверхности в глубь полупроводника.



Рис.1 Эффект поля в структуре металл-диэлектрик-полупроводник.

Знак заряда в полупроводнике зависит от полярности приложенного напряжения. При отрицательной полярности наведенный заряд положительный. В дырочном полупроводнике положительный заряд обусловлен дырками, которые притянулись к поверхности, а в электронном полупроводнике – ионами доноров, от которых оттолкнулись электроны, компенсировавшие их заряд. Т.о. в первом случае происходит обогащение, а во втором – обеднение приповерхностного слоя основными носителями заряда.

При положительной полярности напряжения, наоборот, в в электронном полупроводнике происходит обогащение приповерхностного слоя электронами - основными носителями заряд, а в дырочном – обеднение дырками и обнажение отрицательных акцепторных ионов.

Протяженность подвижных зарядов в обогащенном слое называется длиной Дебая,в протяженность неподвижных ионных зарядов – глубиной обедненного слоя. Обогащенные и обедненные слои оказываются тем тоньше, чем больше концентрация примеси, т.е. концентрация основных носителей заряда. Т.о., тонкие слои свойственны низкоомным полупроводникам, а толстые – высокоомным.

Если принять потенциал в объеме полупроводника равным нулю, то потенциал поверхности будет отличен от нуля благодаря наличию зарядов между объемом и поверхностью. Это обусловлено наличием поверхностных состояний, которые способны захватывать или отдавать электроны.

Учитывая, что электрическое поле распределяется между диэлектриком и полупроводником, поле в диэлектрике возрастает при уменьшении его толщины. При этом может наступить пробой диэлектрика. Но даже в вакууме, где пробой невозможен, толщина диэлектрика не может быть бесконечно малой. При d ≤ 10 нм диэлектрик становится проницаемым для подвижных носителей заряда благодаря туннельному эффекту(туннельный эффект обусловлен волновой природой электрона – электрон может преодолеть потенциальный барьер не только при энергии, превышающей высоту барьера, но и при гораздо меньших энергиях, путем «просачивания» сквозь барьер, если он очень тонкий). При этом МДП структура перестает быть аналогом конденсатора: обмен носителями заряда через диэлектрик вызывает протекание тока, т.е. нарушается равновесие. Наличие тока приводит к уменьшению зарядов на обкладках конденсатора вплоть до их полного исчезновения при соприкосновении металла с полупроводником, т.е. в системе протекает обычный ток проводимости.

При больших значениях внешнего напряжения, приложенного к системе МДП, основные носители продолжают отталкиваться (обедненный слой расширяется). Одновременно к поверхности притягиваются неосновные носители заряда. Когда нарастающий заряд неосновных носителей превысит заряд оставшихся основных, изменится тип проводимости приповерхностного слоя, такой слой называется инверсионным слоем.