Файл: Крутецкий, И. В. Физика твердого тела учеб. пособие.pdf

§5.4. КОНТАКТ МЕТАЛЛА С ПОЛУПРОВОДНИКОМ

5.4.1.РАЗЛИЧНЫЕ СЛУЧАИ КОНТАКТА

Исходя из определения, уровень химического потенциала в ме­ талле должен лежать выше дна зоны проводимости (рис. 65). Это и соответствует тому, что в металлах не существует разделения на валентную зону и зону проводимости. В них уровень рм просто разделяет заполненные энергетические уровни от незаполненных: вниз от рм все уровни заполнены, а вверх все свободны. В § 1.2 мы условились положительное значение р. откладывать для полупро­ водников вниз от дна зоны проводимости. Поэтому для металла (рис. 65) р будет иметь отрицательное значение. Из рис. 65 видно, что термодинамическая Wu и внешняя Фм работы выхода электрона

из металла связаны равенством

Рассмотрим теперь контакт металла с электронным полупровод­ ником (рис. 66), причем будем предполагать, что работа выхода электрона из полупроводника WU<:W M. Тогда обмен электронами

а в полупроводнике п-типа положительно (рис. 67). При этом уровни химического потенциала выравниваются, а края энергетических зон в полупроводнике изогнутся так, что в сторону горизонтальной оси будет направлена выпуклость изгиба (см. § 5.2). Поскольку

щина приконтактного слоя в металле будет на несколько порядков меньше толщины контактного слоя в полупроводнике.1 В связи с этим считают, что объемный заряд в металле практически сосре­ доточен на поверхности металла, обращенной к полупроводнику.

1 Считается, что толщина контактного слоя в металле порядка 10 7 см,

159

На рис. 67 и показано, что приконтактный слой заметной толщины /п образуется лишь в полупроводнике, причем в этом случае вся

контактная разность потенциалов qpK— — е фактически падает на

приконтактном слое полупроводника. Высота изгиба краев зон в приконтактном слое в полупроводнике будет равна энергии VK

(рис. 67).

Можно утверждать, что в рассматриваемом случае контакта металла с полупроводником «-типа (рис. 67) в месте контакта об-

W*,>W„

разуется запорный слой. Действительно, так как основными носи­ телями тока в n-полупроводнике являются электроны, то частичный переход их из слоя 1Пв металл приведет к уменьшению концентра-

Р и с . 69 Р и с . 70

ции электронов в слое по сравнению с концентрацией электронов на глубине полупроводника. В результате приконтактный слой в полупроводнике будет обеднен электронами и, следовательно, будет обладать повышенным электрическим сопротивлением по сравнению с основной толщей полупроводника. Поэтому говорят, что в случае такого контакта металла с полупроводником (рис. 67) образуется запирающий, или запорный, слой.

Если же имеет место контакт металла с дырочным полупровод­ ником (рис. 68), причем выполняется условие Wbi^>Wn, то в полу­ проводнике возникает антизапорный слой, обладающий понижен­ ным электрическим сопротивлением. В самом деле, при таком кон­

160

такте электроны вновь переходят из полупроводника в металл, но

•это приводит в дырочном полупроводнике (основные носители дырки) к обогащению приконтактного слоя дырками, т. е. к пони­ жению его электрического сопротивления. При этом высота изгиба краев зон в полупроводнике будет незначительной.

Возможны еще два случая контакта металла с полупроводни­ ками п- и р-типа; когда справедливо условие U7M< Wn. При таком условии электроны из металла переходят в полупроводник, так что металл заряжается положительно, а полупроводник — отрица­ тельно. Так как в приконтактном слое полупроводника появляется отрицательный объемный заряд (р<[0), то изгиб краев энергетиче­ ских зон будет направлен вогнутостью в сторону горизонтальной оси.

Тогда нетрудно видеть (рис. 69), что при контакте металла с по­ лупроводником n-типа в последнем образуется антизапорный слой, так как пришедшие в полупроводник электроны обогащают приконтактный слой основными носителями. Наоборот, при контакте того же металла с полупроводником p-типа (рис. 70) возникает за­

Заметим, что при контакте металла с полупроводником контакт­ ную разность потенциалов принято считать положительной, если

(см. рис. 67) и подсчитаем толщину приконтактного запирающего слоя в полупроводнике 1п. Для этого необходимо определить в слое 1п распределение потенциала и поля в зависимости от распределе­ ния в таком слое положительного объемного заряда. Очевидно, что распределение в слое объемного заряда будет зависеть от распреде­ ления в нем концентрации носителей тока. Следовательно, задача сводится к решению уравнения Пуассона при заданной плотности объемного заряда р.

Для большей наглядности обратимся к рис. 71, на котором из­ гиб краев энергетических зон показан в виде кривой V -- V (х),

161

ляется числом ионизированных (пустых) примесных донорных

уровней Nd . Электроны же своим отрицательным зарядом частично компенсируют положительный заряд дырок. Тогда при концентра­ ции электронов в слое п (х) суммарная объемная плотность поло­ жительного заряда и определяется (5.4.2).

Однако во многих полупроводниках, например в германии, обычно все примесные уровни ионизированы, так что Nd просто

сто (5.4.3) запишем:

так как омический электронный ток, определяемый контактным полем § (х) и направленный от контакта в глубь полупроводника, компенсируется диффузионным электронным током, направленным из глубины полупроводника (где концентрация электронов больше) к контакту.

162