11. Гетеропереходы

Гетеропереходом называют переход, возникающий между полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны. Используемые для создания гетеропереходов полупроводники должны иметь одинаковые кристаллические структуры и близкие значения постоянной кристаллической решетки. Примерами гетеропереходов являются переходы германий-кремний, германий-арсенид галлия, арсенид галлия - фосфид галлия и др. В обычных р-п-переходах (гомопереходах), как правило, имеет место двусторонняя инжекция неосновных носителей заряда: электроны при подаче на переход прямого напряжения инжектируются в дырочную область полупроводникового кристалла, а дырки в электронную. Гетеропереходы позволяют получить одностороннюю инжекцию.

а)б)

Рис.11.1

Рассмотрим энергетическую диаграмму гетероперехода между полупроводником n-типа с широкой запрещенной зоной и полупроводникомp-типа с узкой запрещенной зоной. На рис. 11.1,апоказаны энергетические диаграммы разделенных полупроводников, а на рис. 11.1,б — энергетическая диаграмма контакта. При создании контакта уровни Ферми совмещаются, однако их положение внутри запрещенных зон сохраняется неизменным, в результате чего на границе разделах_Ов зоне проводимости возникает разрывЕ_C=Е_С1 –Е_С2, а в валентной зоне разрывЕ_V=Е_V2 –E _V1. Левеех_Ообразуется обедненный слой (x₀-x_n), содержащий заряды доноров, правеех_Ообразуется обедненный слой (x_p-x₀ ), содержащий заряды акцепторов. Наличие этих слоев приводит к возникновению изгибов границ энергетических зон q₀₁ и q₀₂. Суммаq₀=q₀₁+q₀₂равна разности уровней Ферми в неконтактируемом состоянии:q₀=(E_Fn–E_FP). Высота энергетического барьера для электронов равнаq_on=q₀–E_c, а для дырок она равнаq_op=q₀+E_v. Энергетический барьер для электронов в зоне проводимости оказывается меньше, чем энергетический барьер для дырок в валентной зоне. При подаче прямого напряжения энергетический барьер для электронов уменьшится, и электроны будут инжектироваться в р-полупроводник. Энергетический барьер для дырок также уменьшится, но останется достаточно высоким, поэтому инжекция дырок вn-полупроводник будет отсутствовать. В этом состоит принципиальное отличие гетероперехода от гомоперехода.

12. Контакт полупроводника с металлом

При осуществлении контакта полупроводника с металлом возникает диффузия носителей заряда из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода, в результате чего происходит выравнивание уровней Ферми. В зависимости от соотношения работ выхода полупроводника и металла контакт между ними может быть выпрямляющим и невыпрямляющим (омическим).

Рассмотрим выпрямляющий контакт электронного полупроводника с металлом. Он образуется при условии, что работа выхода электронного полупроводника Е_оп меньше работы выхода металлаЕ_ом На рис. 12.1,апредставлены энергетические диаграммы полупроводника и металла при отсутствии контакта между ними. Если эти материалы привести в состояние контакта, то вследствие обмена носителями заряда произойдет выравнивание уровней Ферми, полупроводник зарядится положительно, а металл отрицательно. При этом положительный заряд, представляющий собой заряд ионизированных доноров, займет в полупроводнике некоторый слой толщиной₀, а отрицательный заряд будет сосредоточен на поверхности металла (рис. 12.1,б). Вследствие этого энергетическая диаграмма примет вид, показанный на рис. 12.1,в.

E_c

E_Fn

E_v

E_FM

Eп0

n

м

E_FM

E

E_Fn

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

x₀

n

м

qψ₀

qφ₀

2

1

Рис.12.1

При отсутствии внешнего напряжения существуют энергетические барьеры qФ иq, при этом в ходе теплового движения происходит обмен носителями заряда между металлом и полупроводником, при котором потоки электронов 1 и 2 уравновешивают друг друга. Если к контакту приложить внешнее напряжение плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, то барьерqФ снизится на величину приложенного напряжения и поток 1 возрастет, а барьерqсохранится неизменным и поток 2 не изменится. При противоположной полярности поток 1 исчезнет, и через контакт будет перемещаться только небольшой по величине поток 2. Результирующий ток будет равен

,

где i_o-неизменный по величине ток, создаваемый электронами, преодолевающими неизменный по высоте барьер q.

Таким образом, рассматриваемый контакт подобен электронно-дырочному переходу, он хорошо пропускает ток в прямом направлении и плохо в обратном направлении. При этом через контакт перемещаются только основные носители заряда - электроны. Дырки в данном случае в работе не участвуют. Поэтому инжекция дырок в n-область, как это имеет место в обычном электронно-дырочном переходе, отсутствует. В этом состоит принципиальное отличие выпрямляющего контакта полупроводника с металлом от обычного электронно-дырочного перехода. Такой выпрямляющий контакт находит применение в диодах Шотки. Аналогичными свойствами обладает контакт дырочного полупроводника с металлом при условии, что работа выхода полупроводника больше работы выхода металла.

Невыпрямляющий контакт образуется при контакте электронного полупроводника с металлом при условии, что работа выхода полупроводника E_oп больше работы выхода металлаЕ_ом(рис. 12.2)

-

-

--

-

-

-

-

-

+

+

+

+

n

м

2

1

E_Fn

qψ₀=E_п0

E_c

E_Fn

E_v

Рис.12.2

В этом случае левее границы раздела в полупроводнике накапливаются основные носители заряда - электроны, перешедшие из металла в полупроводник, (рис.12.2,б), в результате чего происходит искривление вниз границ энергетических зон (рис. 1.2,в). Поэтому в ходе теплового движения все электроны полупроводника могут переходить в металл (поток 1), а электроны металла, энергия которых большеЕ_сn, могут переходить в полупроводник (поток 2). При отсутствии внешнего напряжения потоки 1 и 2 уравновешивают друг друга, поэтому ток через контакт равен нулю. Если на контакт подать внешнее напряжение плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, то правая половина энергетической диаграммы сместится вниз относительно левой диаграммы и количество электронов, переходящих из металла в полупроводник уменьшится, в результате возрастет прямой ток, создаваемый разностью потоков 1 и 2. При противоположной полярности внешнего напряжения возрастает переход электронов из металла в полупроводник (поток 2), поэтому возрастает обратный ток. Такой контакт обладает небольшим омическим сопротивлением и одинаково хорошо пропускает ток в прямом и обратном направлениях. Аналогичными свойствами обладает контакт дырочного полупроводника с металлом при условии, что работа выхода полупроводникаЕ_орменьше работы выхода металлаЕ_ом.

В полупроводниковых приборах невыпрямляющий контакт металла с полупроводником применяют для осуществления внешних выводов от полупроводникового кристалла. При этом невыпрямляющий контакт, обладающий низким сопротивлением, оказывается последовательно включенным с выпрямляющим р-п-переходом, обладающим более высоким сопротивлением. Поэтому практически все внешнее напряжение оказывается приложенным кр-п-переходу и падением напряжения на невыпрямляющем контакте можно пренебречь.

В микроэлектронике, как правило, применяется контакт полупроводника с алюминием, работа выхода которого меньше работы выхода электронного полупроводника. В этом случае для осуществления невыпрямляющего контакта электронного полупроводника с металлом поверхность кремния дополнительно легируют донорами, превращая ее в п⁺-слой (рис.12.3,а). Концентрация электронов в соответствии с (3.11) определяется разностью между уровнем Ферми и уровнемЕ_i.Следовательно, в легированном поверхностном слое уровень Е_iдолжен опуститься вниз, а вместе с ним – границы запрещенной зоны, поэтому энергетическая диаграмма контакта принимает вид, показанный на рис. 12.3,б.

Рис.12.3

В этом случае снижается барьер qФ и возрастают потоки 1 и 2. При подаче прямого напряжения уменьшается барьерqФи возрастает поток 1, высота барьераqсохраняется неизменной, следовательно, увеличивается прямой ток. При подаче обратного напряжения барьерqФувеличивается, поток 1 уменьшается и возрастает обратный ток, создаваемый разностью потоков 1 и 2. Следовательно, такой контакт одинаково хорошо пропускает ток в прямом и обратном направлениях, то есть является невыпрямляющим. Чем больше концентрация примеси вn⁺-области, тем меньше барьерqФи соответственно меньше сопротивление контакта. Подобного рода контакты используют во всех полупроводниковых приборах для создания внешних выводов отn-областей приборов.