Реальный контакт металл-полупроводник

Реальный контакт металл-полупроводник.

Все вышеприведенные рассуждения справедливы для случая, ког- да поверхностные концентрации носителей заряда в полупроводнике не отличаются от объемных.

В то же время само наличие поверхнос- ти, т.е. обрыва межатомных связей в некоторой плоскости, можно рассматривать как двумерный дефект кристаллической решетки полуп- роводника.

Еще в 1932 г. И.Е.Тамм впервые показал, что обрыв пе- риодического потенциала кристалла на поверхности допускает допол- нительные решения уравнения Шредингера для электрона в кристалле, которые быстро затухают при удалении от поверхности.

Это означа- ет, что даже на идеальной, незагрязненной поверхности полупровод- ника существует свой спектр локальных энергетических уровней уровней Тамма, причем некоторые из них лежат в запрещенной зоне и выполняют роль ловушек. Кроме того, на поверхности полупровод- ника в реальных условиях всегда образуется слой окисла и адсорби- руется чужеродные атомы.

Это приводит к появлению дополнительных энергетических уровней на поверхности. Таким образом, на реальной поверхности полупроводника всегда имеется спектр локальных уров- ней, и его наличие существенно влияет на происходящие на поверх- ности процессы. Поверхностные уровни-ловушки находятся в запрещенной зоне, и попавшие в них электроны не могут проникнуть в глубь кристалла и локализуются на расстоянии одной-двух постоянных решетки от по- верхности.

Появление избыточного отрицательного заряда поверх- ностных уровней состояний приводит к возникновению вблизи по- верхности полупроводника нескомпенированного положительного заря- да. Следовательно, на свободной поверхности полупроводника еще до контакта с металлом возникает искривление зон, и образуется запи- рающий рис.10,а или антизапирающий рис.10.б слой. Аналогичная картина имеет место и при преобладании на по- верхности полупроводника не электронных, а дырочных ловушек, при- чем в случае полупроводника n - типа - антизапирающим.

Вследствии этого в реальных контактах металл-полупроводник высота барьера может совершенно не зависеть от работы выхода электронов из металла. Высота барьера на свободной поверхности определяется плотностью поверхностных состояний. Экпериментальные подтвержде- ния этого впервые были получены в 1947 году Бардиным, а теорети- ческие исследования проведены Таммом и Шокли. Высота барьера в этих условиях определяется равенством нулю полного заряда в при- поверхностном слое и на поверхностных состояниях.

При контакте полупроводника n - типа с металлом при условии высота барьера увеличивается, а число электронов на поверхности уменьшается рис.11,а И наоборот, при высота барьера уменьшается, а число электронов на поверхностных состояниях увеличивается рис.11,б. Однако при большой плотности уровней на поверхности эти изменения высоты барьера будут незна- чительны. Рассмотрим протекание тока через такой контакт.

При наличии толстого изолирующего слоя окисла между металлом и полупроводником приложенное напряжение в основном падает на нем. Однако в выпрямляющих контактах этот диэлектрический зазор настолько тонок, что является прозрачным для электронов. Поэтому основное сопротивление для тока представляет запирающий слой, и почти вс внешние напряжение падает на этом слое. Это означает, что скачок уровня Ферми находится именно в приконтактном слое по- лупроводника, а положение уровня Ферми на самой поверхности и в металле практически совпадают рис.12. Так как заряд на поверхностных состояниях при протекании то- ка заметно не изменяется, то высота барьера для электронов, иду- щих из металла в полупроводник при включении внешнего напряжения, также остается постоянной.

Поэтому теория выпрямления применима к любым контактам, независимо от того, создан запирающий слой кон- тактной разностью потенциалов или зарядом, локализованных на по- верхностных состояниях.

Разница лишь в том, что высота барьера в первом случае равна разности термодинамических работ выхода, а во втором определяется положением поверхностных уровней на зонной диаграмме. Итак, в реальном выпрямляющем контакте металл-полупроводник контактная разность потенциалов падает на зазоре слое окисла, а приложенное напряжение - на запирающем слое полупро- водника. 2.3.