§ 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

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 А_м 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

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.