Библиотека по физике Библиотека по физике
Новости    Библиотека    Энциклопедия    Биографии    Ссылки    Карта сайта    О сайте


предыдущая главасодержаниеследующая глава

§ 20. Контакт металла с полупроводником

Состояние равновесия. Для конкретности рассмотрим сначала электронный полупроводник, у которого работа выхода электронов меньше, чем у контактирующего с ним металла. Пусть сначала между полупроводником и металлом существует незначительный вакуумный промежуток, достаточно тонкий для того, чтобы рассматриваемые кристаллы могли эффективно обмениваться электронами. После осуществления контакта между полупроводником и металлом на границе между ними происходят такие же процессы, как в случае контакта между двумя металлами. После выравнивания уровней Ферми возникает контактная разность потенциалов порядка нескольких вольт. Основное отличие от случая контакта между двумя металлами сводится к тому, что, поскольку в обычных, невырожденных полупроводниках концентрация свободных носителей оказывается много меньше, чем в металлах, может случиться, что обеднение электронами одного лишь наружного слоя полупроводника окажется недостаточным.

Оценим число ушедших из полупроводника электронов при расстоянии между контактирующими поверхностями в 1 мкм и в случае плотного контакта.

Пользуясь формулой, полученной в предыдущем параграфе, находим, что для установления контактной разности потенциалов, равной 1 В, при d = 1 мкм с каждого квадратного сантиметра контактной поверхности полупроводника должно перейти в металл приблизительно 5 ⋅ 107 электронов. В полупроводнике средней степени легированности плотность свободных электронов при комнатной температуре обычно составляет величину порядка 1015 см-3. Число же свободных электронов в наружном моноатомном слое окажется по порядку величины равным (1015)2/3 см-2 = 1010 см-2. Таким образом, в этом случае для создания контактной разности потенциалов вполне достаточно даже менее 1% электронов, имеющихся в моноатомном слое полупроводника. Ясно, что при этом контактное электрическое поле практически не заходит не только в металл, но и в полупроводник и полностью сосредоточено в вакуумном промежутке.

Запорный слой. Совершенно иная картина наблюдается при создании плотного контакта металла с полупроводником, при котором расстояние между ними по порядку величины равно постоянной кристаллической решетки а0 (для германия а0 ≈ 0,5 нм). В этом случае для создания контактной разности потенциалов 1 В через каждый квадратный сантиметр поверхности контакта из полупроводника в металл должно перейти порядка 1013 электронов. Приход такого количества электронов в металл практически не скажется на его объемных свойств, так как общее число перешедших электронов составляет приблизительно всего 1% от числа свободных электронов, имеющихся в моноатомном слое металла; все приходящие электроны размещаются в ближайшем к контакту поверхностном слое металла. Совсем по-другому обстоит дело в полупроводнике. Поскольку в 1 см2 моноатомного слоя полупроводника средней степени легированности имеется всего 1010 свободных электронов, то переход 1013 электронов может реализоваться, если перейдут все свободные электроны из 1000 атомных слоев приконтактной области полупроводника (рис. 57, а). Эта область, в которой после установления равновесия остаются лишь неподвижные нескомпенсированные положительные ионы доноров, по своим свойствам представляет собой типичный диэлектрик. Толщина этой области в обычно используемых в приборах полупроводниках составляет 10-3÷10-5 см и во много раз превосходит длину свободного пробега носителей. Из-за отсутствия свободных носителей и благодаря большой протяженности по сравнению с длиной свободного пробега обедненная область обладает большим сопротивлением и поэтому называется запорным слоем.

Рис. 57
Рис. 57

Понятно, что в этом случае электрическое поле уже не локализуется в вакуумном промежутке на границе раздела тел, а существует также в запорном слое толщиной d0. Более того, поскольку ширина вакуумного промежутка во много раз меньше протяженности запорного слоя, то можно считать, что электрическое поле образуется именно в обедненном слое полупроводника.

Изгиб зон. Проникновение контактного поля в полупроводник и, следовательно, изменение потенциала полупроводника в разных сечениях на различные величины приводит к тому, что энергетические уровни и зоны смещаются в сторону больших или меньших значений энергии, причем эти смещения для разных сечений полупроводника различны. В результате этого происходит изгиб энергетических уровней и зон в приконтактной области полупроводника (рис. 57, б).

Поведение свободных носителей в электрическом поле, существующем в приконтактной зоне полупроводника, можно при качественном рассмотрении явлений определять на основе следующих наглядных представлений: электроны уподобляют тяжелым шарикам, а дырки - пузырькам газа в жидкости; находясь на искривленном энергетическом уровне, электрон как бы скатывается по этому уровню в сторону его понижения; дырка же как бы всплывает, перемещаясь вдоль уровня, на котором она находится, в сторону его повышения. Согласно такой модели в рассматриваемом нами случае контакта электроны, находящиеся в зоне проводимости вблизи границы раздела, должны скатиться по дну зоны, оставляя приконтактную область обедненной основными носителями. В то же время дырки в валентной зоне должны всплыть на поверхность, обогащая прилегающую к границе раздела область неосновными носителями. Так как концентрация неосновных носителей всегда много меньше концентрации основных, то приход дополнительных дырок в приконтактную область хотя и повышает их концентрацию, но тем не менее не может в заметной степени компенсировать уход основных носителей - электронов. Поэтому область запорного слоя и характеризуется высоким сопротивлением.

Антизапорные слои. Образование запорного слоя при контакте электронного полупроводника с металлом возможно только в том случае, если работа выхода электронов из металла Ам больше работы выхода из полупроводника Если же то наблюдается противоположная картина. В этом случае после создания контакта поток электронов из металла будет вплоть до установления динамического равновесия превалировать над встречным потоком электронов из полупроводника, из-за чего полупроводник будет заряжаться отрицательно, а металл - положительно. Направление электрического поля в приграничной зоне полупроводника и соответствующие изменения потенциала полупроводника в различных сечениях таковы, что энергетические уровни и зоны в полупроводнике, искривляясь, поднимаются по мере удаления от границы с металлом. Поэтому электроны, приходящие из объема полупроводника, "скатываются" к границе контакта и тем самым обогащают эту область основными носителями (рис. 58). Повышение концентрации основных носителей в приконтактном слое приводит к снижению его сопротивления, и поэтому такой слой называют антизапорным.

Рис. 58
Рис. 58

Аналогичные процессы протекают и при создании контакта металла с дырочным полупроводником. Отличие заключается лишь в том, что запорный слой в этом случае возникает, когда работа выхода у металла меньше, чем у полупроводника Когда же образуется антизапорный слой.

предыдущая главасодержаниеследующая глава




Пользовательского поиска




Пять неожиданных и грандиозных открытий физики

Мария Склодовская-Кюри - единственная в истории женщина, получившая две Нобелевские премии

Нобелевская премия по физике — 2017 - за решающий вклад в создание детектора LIGO и регистрацию гравитационных волн

Виталий Гинзбург, лауреат Нобелевской премии по физике 2003 г.

Физики превратили непроводящий полимер в полупроводник силой звука

Десять невозможных вещей, ставших возможными благодаря современной физике

Физики нашли возможную брешь в Стандартной модели

Ученые объяснили звуки метеоров

Теория эмерджентности: что такое реальность?

Ученые математически доказали недостижимость абсолютного нуля температуры

Четыре крупнейших ошибки в научной жизни Эйнштейна






© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2018
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник:
http://physiclib.ru/ 'PhysicLib.ru: Библиотека по физике'

Рейтинг@Mail.ru