Металл

ПолупроВоднт п-типа

Запрещенная зона

зится и переход будет работать в прямом направлении, а сопротивление граничного слоя на рис. 2-15, б повысится и этот переход будет работать в обратном направлении. Таким образом, контакты на рис. 2-15.хотя и не обеспечивают инжекции неосновных носителей, но обладают вентильными свойствами. Такие контакты лежат в основе диодов Шоттки (см. § 3-4),

Особый интерес представляет контакт, показанный на рис. 2-16. Его особенность состоит в том, что уровень Ферми металла в исходном состоянии лежит ниже середины запрещенной зоны полупроводника п-типа. Поэтому зоны искривляются настолько сильно, что в области пространственного заряда потолок валентной зоны частично расположен на

расстоянии менее Рз от уровня Ферми. Такое расположение, как известно, характерно для дырочных полупроводников (см. § 1-8). Следовательно, в данном случае вблизи поверхности полупроводника п-типа образовался тонкий слой полупроводника с обратным типом проводимости (р-типа). Этот слой называют инверсионным (см. раздел Эффект поля , § 1-12). В целом, как ввдим, получился р-п переход, полностью расположенный внутри исходной пластинки полупроводника. С физической точки зрения образование инверсионного слоя объясняется тем, что электронов в зоне проводимости полупроводника (в его граничном слое) оказывается недостаточно для равновесия системы и в металл должно перейти некоторое количество электронов из валентной зоны; в результате, естественно, образуются дырки. Толщина инверсионного слоя ( канала ), как уже отмечалось (с 71), обычно составляет 0,001-0,002 мкм.

Невыпрямляющие (омические) контакты. Пусть для контакта металла с полупроводником р-типа имеет место соотношение ц>рт < < 4>Fp> а для контакта металла с полупроводником п-типа - соотношение {ррт > (fpn- В этргх случаях искривление зон в полупроводниках получается обратным по сравнению с тем, какое показано на рис. 2-15, а и б, т. е. граничные слои оказываются не обедненными, а обогащенными основными носителями (рис. 2-17). Соответственно удельные сопротивления граничных слоев оказываются значительно меньше, чем основных, нейтральных слоев

Инверсионный, р-слой.

Рис. 2-16. Зонная диаграмма контакта, при котором образуется инверсионный слой.

Металл Полуп(1оВоднш< р-типа

S>fr.

Металл ПолупроВодиин ~ п-типа

<Pf

Запрещенная зона

Запрещенная зона

Рмс. 2-17. Зонные диаграммы невыпрямляю-щих контактов металла с полупроводником.

а - контакт с полупроводником р-типа; б - контакт с полупроводником п-типа.

полупроводника (вдали от границы), так что наличие граничного слоя в системе оказывается малосущественным с точки зрения ее суммарного сопротивления. Последнее удет близко к сопротивлению нейтрального слоя полупроводника и, следовательно, почти не будет зависеть от полярности и величины внешнего напряжения. Такие невыпрян-л я ю щ и е переходы являются основой омических контактов.

В терминах контактной разности потенциалов случай ьа рис. 2-17, а соответствует полярности фз > - пР ходу электронов из полупроводника), а случай на рис. 2-17, б - полярности 4>MS < еРоду элек-

чронов из м е т а л л а). В обоих случаях контактные разности потенциалов приняты небольшими, поэтому искривления зон на рис. 2-17 сравнительно малы и уровень Ферми не пересекает разрешенные зоны в полупроводнике. При больших значениях I ф;5 I искривления зон будут больше и уровень Ферми будет частично проходить либо через валентную зону дырочного полупроводника (рис. 2-17, а), либо через зону проводимости электронного полупроводника (рис. 2-17, б). Это значит, что соответствующие граничные участки полупроводника превращаются в полуметаллы (см. § 1-4, 1-6).

Омические контакты осуществляют в местах присоединения внешних выводов к полупроводниковому слою. Такие контакты не образуют дополнительного ( паразитного ) перехода. Получение омических контактов является задачей не менее важной., чем получение рабочих р-п переходов. Типичная структура омического контакта показана на рис. 2-18. Как видим, эта структура состоит из двух переходов: п*-п и т-п*, где через т обозначен слой металла. Оба перехода не являются инжектирующими, как было показано в предыдущих разделах. Кроме того, они не обладают и вентильными свойствами. Поэтому в целом структура п-п*-т ведет себя почти как омическое сопротивление слоя п при любой полярности Напряжения. Рассмотрим механизм прохождения токов. Пусть Напряжение приложено минусом к слою п и плюсом к металлу. Тогда потенциалы слоев п и повысятся, высота барьера п-п* увеличится, а высота барьера п*-т уменьшится (рис. 2-18, б). Электроны из м-слоя будут свободно переходить в п*-слой независимо от высоты барьера п-п\ а понижение барьера п*-т обеспечит переход электронов из п-слоя в т-слой. Пусть теперь напряжение приложено плюсом к п-слою. При этом потенциалы п- и п*-слоев пони-

Запрещеииая зона. --U+-

зятся, и высота барьера п-п* сделается меньше; соответственно электроны п*-слоя смогут переходить в -слой Барьер п*-т повысипся, но так как он очень тонкий *, то электроны слоя т будут проходить его за счет туннельного эффекта [29, § 24], как показано на рис. 2-18, в.

Таким образом, важнейшим свойством омического контакта является его двусторонняя проводимость. Другое важное свойство

связано с ничтожным временем жизни носителей в *-слое, поскольку он сильно легирован и имеет малое удельное сопротивление (см. рис. 1-24). Интенсивная рекомбинация в -слое и отсутствие инжекции делают повышение концентрации носителей в области омического коитакта редким явлением Поэтому при анализе диодов и транзисторов обычно исходят из того, что концентрации электронов и дырок на омическом контакте имеют равновесные значения .

В случае дискретных полупровод-пиковых приборов, особенно германиевых, весьма распространенным материалом для омических контактов является олово; оно относится к той же группе периодической системы, что и германий и кремний, обладает достаточно высокой проводимостью, хорошо смачивает поверхность полупроводника, допускает пайку внешних выводов. Добавление к олову той или иной примеси позволяет получать контакт с пластинками как -, так и р-типа Иногда вместо олова применяют золото.

При изготовлении кремниевых приборов и особенно интегральных схем широкое применение для омических контактов находит алюминий. Он легко напыляется на поверхность кремния и далее при достаточно высокой температуре сплавляется с ним. Если кремний имеет проводимость р-типа, то алюминий, будучи акцептором, способствует повышению проводимости приконтактного слоя. Если же кремний имеет проводимость -типа, то при сравнительно небольшой концентрации доноров

* Например, при и+== yv+= см~* получается дебаевская длина 50.10-8 см (0,005 мкм).

Более общим граничным условием для омического контакта является равенство концентрации носителей сумме равновесной концентрации и члена, обратно пропорционального скорости рекомбинации.

Запрещенная зона В)

Рис. 2-18. Зонные диаграммы омического контакта.

U - равновесное состояние; б - обратное напряжение; - прямое напряжение.