- •Введение
- •1. Физические основы работы приборов твердотельной электроники
- •1.1. Зонная структура полупроводников
- •1.2. Собственные и примесные полупроводники
- •1.3. Статистика электронов и дырок в полупроводниках. Концентрация носителей заряда и положение уровня Ферми
- •1.4. Концентрация электронов и дырок в собственном полупроводнике
- •1.5. Концентрация электронов и дырок в примесном полупроводнике
- •1.6. Определение положения уровня Ферми
- •1.7. Проводимость полупроводников
- •1.8. Токи в полупроводниках
- •1.9. Неравновесные носители. Генерация и рекомбинация носителей
- •1.10. Уравнение непрерывности
- •1.11. Электрические поля в кристаллах
- •2. Контактные явления
- •2.1. Разновидности электрических переходов и контактов
- •2.2. Электронно-дырочный переход
- •Равновесия
- •2.2.2. Контактная разность потенциалов
- •2.2.3. Ширина p-n-перехода
- •2.2.4. Прямое включение р-n-перехода
- •2.2.5. Уровень инжекции
- •2.2.6. Обратное включение р-n-перехода
- •2.2.7. Теоретическая вольт-амперная характеристика
- •2.2.8. Вольт-амперная характеристика реального
- •2.2.9. Вольт-амперная характеристика р-п-перехода в полулогарифмических координатах
- •2.2.10. Пробой р-п-перехода
- •2.2.11. Емкость p-n-перехода
- •2.2.12. Переходные процессы в p-n-переходах
- •2.2.13. Частотные свойства p-n-перехода
- •2.2.14. Эквивалентные схемы р-п-перехода
- •2.2.15. Влияние температуры на свойства
- •2.3. Разновидности электрических переходов
- •2.3.1. Гетеропереходы
- •2.3.2. Контакт полупроводников с одним типом электропроводности
- •2.3.3. Контакт металл – полупроводник. Барьер Шоттки
- •2.3.4. Омические контакты
- •2.3.5. Явления на поверхности полупроводников
- •3.2. Область пространственного заряда в равновесных условиях
- •3.3. Приповерхностная область пространственного заряда
- •3.4. Распределение плотности пространственного заряда, электрического поля и потенциала в идеальной
- •3.5. Вольт-фарадные характеристики идеальной
- •3.5.1. Емкость области пространственного заряда
- •3.5.2. Емкость мдп-структур
- •3.6. Компоненты заряда в реальном диоксиде кремния и их влияние на вфх мдп-структуры
- •3.7. Распределение плотности пространственного заряда, электрического поля и потенциала в реальной
- •3.8. Определение параметров мдп-структур на основе анализа c-V характеристик
- •4. Полупроводниковые диоды
- •4.1. Методы изготовления полупроводниковых диодов
- •4.2. Выпрямительные диоды
- •4.3. Варикапы
- •4.4. Стабилитроны
- •4.5. Туннельный и обращенный диоды
- •4.6. Высокочастотные и сверхвысокочастотные диоды
- •4.7. Импульсные диоды
- •5. Биполярные транзисторы
- •5.1. Структура и основные режимы работы
- •5.2. Схемы включения транзистора
- •5.3. Основные физические процессы в биполярных транзисторах
- •5.4. Модуляция сопротивления базы
- •5.5. Статические характеристики биполярных транзисторов
- •Как четырехполюсник
- •5.6. Эквивалентная схема биполярного транзистора
- •5.7. Дифференциальные параметры биполярных транзисторов в схеме с общей базой
- •5.8. Дифференциальные параметры биполярных транзисторов в схеме с общим эмиттером
- •5.9. Малосигнальные параметры биполярного транзистора
- •5.9.1. Система z-параметров
- •5.9.2. Система y-параметров
- •5.9.3. Система h-параметров
- •5.10. Частотные и импульсные свойства транзисторов
- •6. Тиристоры
- •6.1. Структура и принцип действия
- •6.2. Основные параметры тиристоров
- •6.3. Феноменологическое описание вах динистора
- •6.4. Способы включения и выключения тиристоров
- •7. Полевые транзисторы и приборы с зарядовой связью
- •7.1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
- •7.3. Эффект смещения подложки
- •7.4. Эквивалентная схема мдп‑транзистора
- •7.5. Подпороговые характеристики мдп-транзистора
- •7.6. Приборы с зарядовой связью
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
2.3.3. Контакт металл – полупроводник. Барьер Шоттки
В случае контакта металл - полупроводник возможны различные комбинации (p- и n-типы полупроводника) и соотношения термодинамических работ выхода из металла и полупроводника. В зависимости от этих соотношений в области контакта могут реализоваться три состояния. Первое состояние соответствует условию плоских зон в полупроводнике, в этом случае реализуется нейтральный контакт. Второе состояние соответствует условию обогащения приповерхностной области полупроводника (дырками в p‑типе и электронами в n-типе), в этом случае реализуется омический контакт. И наконец, в третьем состоянии приповерхностная область полупроводника обеднена основными носителями, в этом случае в области контакта со стороны полупроводника формируется область пространственного заряда ионизованных доноров или акцепторов и реализуется блокирующий контакт, или барьер Шоттки.
В полупроводниковых приборах наибольшее применение получили блокирующие контакты металл – полупроводник, или барьеры Шоттки. Рассмотрим условие возникновения барьера Шоттки. Ток термоэлектронной эмиссии с поверхности любого твердого тела определяется уравнением Ричардсона:
. (2.86)
где А – постоянная Ричардсона; Ф - термодинамическая работа выхода это энергия Ферми с обратным знаком, ; Т - температура; k - постоянная Больцмана.
Для контакта металл – полупроводник n-типа выберем условие, чтобы термодинамическая работа выхода из полупроводника Фп/п была меньше, чем термодинамическая работа выхода из металла ФМе. В этом случае согласно уравнению (2.86) ток термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника jп/п будет больше, чем ток термоэлектронной эмиссии с поверхности металла:
.
При контакте таких материалов в начальный момент времени ток из полупроводника в металл будет превышать обратный ток из металла в полупроводник и в приповерхностных областях полупроводника и металла будут накапливаться объемные заряды – отрицательные в металле и положительные в полупроводнике. В области контакта возникнет электрическое поле, в результате чего произойдет изгиб энергетических зон. Вследствие эффекта поля термодинамическая работа выхода на поверхности полупроводника возрастет. Этот процесс будет проходить до тех пор, пока в области контакта не выравняются токи термоэлектронной эмиссии и соответственно значения термодинамических работ выхода на поверхности.
На рис. 2.46 показаны зонные диаграммы различных этапов формирования контакта металл – полупроводник. В условиях равновесия в области контакта токи термоэлектронной эмиссии выравнялись, вследствие эффекта поля возник потенциальный барьер, высота которого равна разности термодинамических работ выхода: к = ФМе – Фп/п.
Для контакта металл – полупроводник p-типа выберем условие, чтобы термодинамическая работа выхода из полупроводника Фп/п была больше, чем термодинамическая работа выхода из металла ФМе. В этом случае ток термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника jп/п будет меньше, чем ток термоэлектронной эмиссии с поверхности металла, согласно уравнению (2.86).
При контакте таких материалов в начальный момент времени ток из металла в полупроводник p-типа будет превышать обратный ток из полупроводника в металл и в приповерхностных областях полупроводника и металла будут накапливаться объемные заряды – положительные в металле и отрицательные в полупроводнике.
Рис. 2.46. Зонная диаграмма, иллюстрирующая образование барьера Шоттки
В дальнейшем картина перехода к равновесному состоянию и формирования потенциального барьера для контакта металл – полупроводник p-типа аналогична рассмотренной выше для контакта металл – полупроводник n-типа.
Рассмотрим, как меняется зонная диаграмма контакта металл – полупроводник при приложении внешнего напряжения VG, знак которого соответствует знаку напряжения на металлическом электроде. Величина внешнего напряжения при положительном знаке VG > 0 не должна быть больше контактной разности потенциала ms, при отрицательном напряжении VG < 0 она ограничивается только электрическим пробоем структуры. На рис. 2.47 приведены соответствующие зонные диаграммы при положительном и отрицательном напряжениях на металлическом электроде барьеров Шоттки. Из рисунка видно, что роль внешнего напряжения в барьере Шоттки сводится только к регулированию высоты потенциального барьера и величины электрического поля в ОПЗ полупроводника.
Рассмотрим, как меняются электрическое поле и потенциал в области пространственного заряда контакта металл – полупроводник в виде барьера Шоттки. Для определенности будем рассматривать полупроводник n-типа. За знак приложенного напряжения примем знак напряжения, приложенного к металлическому электроду, полупроводниковый электрод считаем заземленным.
Рис. 2.47. Зонная диаграмма барьера Шоттки
при различных напряжениях на затворе:
а - VG = 0; б -VG > 0, прямое смещение; в - VG < 0, обратное смещение
Вне зависимости от полярности напряжения для барьерных структур все внешнее напряжение будет приложено к области пространственного заряда, поскольку в этой области концентрация свободных носителей существенно меньше, чем в других областях барьера Шоттки.
Связь электрического поля и потенциала для любых материалов с пространственно распределенным объемным зарядом описывается уравнением Пуассона. В одномерном приближении это уравнение имеет вид
, (2.87)
где (x) – зависимость потенциала от координаты, (x) – плотность объемного заряда, s – диэлектрическая проницаемость полупроводника, 0 – диэлектрическая постоянная.
Заряд в области пространственного заряда барьера Шоттки для полупроводника n-типа обусловлен зарядом ионизованных доноров с плотностью ND+. Поэтому
. (2.88)
При интегрировании уравнения Пуассона учтем, что величина электрического поля :
, (2.89)
или
. (2.90)
Проведем интегрирование уравнения (2.90). Выберем константу интегрирования из расчета, что при x = W электрическое поле Е равно нулю:
. (2.91)
Из соотношения (2.91) следует, что электрическое поле Е максимально на границе металл – полупроводник (x = 0), линейно спадает по области пространственного заряда и равно нулю на границе ОПЗ – квазинейтральный объем полупроводника (x = W).
Для нахождения распределения потенциала (а, следовательно, и зависимости потенциальной энергии от координаты) проинтегрируем еще раз уравнение (2.91) при следующих граничных условиях: x = W, (W) = 0. Получаем
. (2.92)
Максимальное значение потенциала реализуется при x = 0 и составляет
, при . (2.93)
В этом случае можно рассчитать значение ширины обедненной области W, подставляя соотношение (2.93) в (2.92):
. (2.94)
Соотношение (2.94) является очень важным для барьерных структур. Это уравнение является универсальным и описывает зависимость ширины обедненной области W от приложенного напряжения VG и концентрации легирующей примеси ND для большинства барьерных структур. На рис. 2.48 приведена диаграмма, иллюстрирующая распределение электрического поля и потенциала в барьере Шоттки при обратном смещении, рассчитанных на основании соотношений (2.91) и (2.92).
Рис. 2.48. Диаграмма, иллюстрирующая распределение электрического поля и потенциала в барьере Шоттки:
а - структура барьера Шоттки при обратном смещении;
б - распределение электрического поля в ОПЗ;
в - распределение потенциала в ОПЗ
Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки будет иметь вид
. (2.95)
где υ0 – тепловая скорость электронов, ; ns – поверхностная концентрация в полупроводнике на границе с металлом ; n0 – равновесная концентрация основных носителей в полупроводнике, .
На рис. 2.49 приведена вольт-амперная характеристика барьера Шоттки.
Рис. 2.49. Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки
Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки имеет ярко выраженный несимметричный вид. В области прямых смещений ток экспоненциально сильно растёт с ростом приложенного напряжения. В области обратных смещений ток от напряжения не зависит. В обеих случаях, при прямом и обратном смещении, ток в барьере Шоттки обусловлен основными носителями – электронами. По этой причине диоды на основе барьера Шоттки являются быстродействующими приборами, поскольку в них отсутствуют рекомбинационные и диффузионные процессы. Несимметричность вольт-амперной характеристики барьера Шоттки – типичная для барьерных структур. Зависимость тока от напряжения в таких структурах обусловлена изменением числа носителей, принимающих участие в процессах зарядопереноса. Роль внешнего напряжения заключается в изменении числа электронов, переходящих из одной части барьерной структуры в другую.