Drukuj ten rozdziałDrukuj ten rozdział

Podręcznik

5. Podstawy fizyczne złącz półprzewodnikowych

5.2. Złącze metal-półprzewodnik

Właściwości złącza m-s determinuje różnica prac wyjścia elektronów z obydwu materiałów (Am-As) dla półprzewodnika określonego typu (wpływ stanów powierzchniowych tutaj pominięto).
Podobnie jak w złączu p-n, różnica prac wyjścia jest przyczyną przemieszczenia nośników ładunku w obszarze przejściowym złącza m-s w trakcie jego powstawania i tym samym utworzenia dipolowej warstwy ładunku przestrzennego, prowadzącego w równowadze termodynamicznej do wyrównania średnich energii nośników w całej strukturze (poziom Fermiego jest stały). Ze względu na dużą różnicę przewodności, warstwa tego ładunku w metalu jest znikomo cienka, natomiast w półprzewodniku wnika głębiej i wiąże się z zakrzywieniem pasm energetycznych odpowiadającym kontaktowej różnicy potencjałów:
 

 

\varphi _{MS}=\frac{A_{m}-A_{s}}{q}

 (5.14)

  

Można rozróżnić dwa istotne przypadki zmiany stanu półprzewodnika przy granicy metalurgicznej i tym samym zaburzenia koncentracji powierzchniowej nośników ładunku:

  1. akumulacja - wzbogacenie w większościwe nośniki ładunku gdy:
    Am< As dla półprzewodnika typu n,
    Am> As dla półprzewodnika typu p,

  2. zubożenie - obniżenie koncentracji nośników większościowych, gdy:
    Am> As dla półprzewodnika typu n,
    Am< As dla półprzewodnika typu p,
    podobnie, jak w warstwie zaporowej złącza p-n.

Przypadkom tym odpowiadają inne właściwości elektryczne i zastosowania złącza m-s:
Ad 1) liniowa charakterystyka I-U - tzw. złącze omowe stosowane jako kontakt elektryczny,

Ad 2) niesymetryczna, nieliniowa charakterystyka I-U - tzw. złącze prostujące stosowane w diodach Schottky'ego.

W złączu m-s prostującym nośniki ładunku elektrycznego napotykają na bariery potencjału przedstawione dla półprzewodnika typu n na rys. 5.6: φ0 (barierę Schottky'ego) dla strumienia elektronów płynących z metalu do półprzewodnika, określoną przez pracę wyjścia Am i powinowactwo elektronowe półprzewodnika χs oraz φs (potencjał powierzchniowy) dla strumienia elektronów płynących z pasma przewodnictwa półprzewodnika w przeciwną stronę.
 

 

Uzupelnij opis obrazka

  
 

Rys. 5.7.  Modele pasmowe: a) metalu i półprzewodnika (odseparowanych), b) złącza m-s prostującego (wraz z rozkładem gęstości ładunku przestrzennego)

  

W równowadze termodynamicznej:
 

 

\varphi _{S}=\varphi _{MS}

    

(przy zaniedbaniu wpływu stanów powierzchniowych). Wymienione strumienie elektronów równoważą się, a odpowiadające im gęstości prądów równe są prądowi emisji termoelektrycznej:
 

 

J_{S}\approx A_{R}T^{2}exp(\frac{\varphi _{0}}{V_{T}})

 (5.15)

  

Polaryzacja złącza m-s powoduje zmianę bariery potencjału od strony półprzewodnika (spadek napięcia praktycznie w całości odkłada się na warstwie zubożonej półprzewodnika). Dla polaryzacji przewodzenia (U>0) bariera ta maleje do wartości (φs-U) i strumień elektronów płynących z półprzewodnika do metalu rośnie wykładniczo. Dla polaryzacji zaporowej (U<0) bariera rośnie i strumień ten staje się praktycznie zaniedbywalny w stosunku do strumienia elektronów płynących z metalu do półprzewodnika (tworzących prąd emisji termoelektrycznej).
Charakterystykę prądowo-napięciową złącza m-s można zapisać podobnie, jak dla złącza p-n:
 

 

J=J_{sm}[exp\frac{U}{nV_{T}}-1] , n\approx 1,06

 (5.16)

  

Złącze m-s odróżniają od złącza p-n dwie podstawowe cechy decydujące o jego zastosowaniach:

  1. spadek napięcia na przewodzącym złączu m-s jest niższy niż na złączu p-n: (φs),

  2. w przewodzącym złączu m-s elektrony wstrzykiwane do metalu (tzw. gorące elektrony) nie powodują tam zauważalnej zmiany ładunku (praktycznie nie obserwuje się efektu gromadzenia nośników).