§ 21. Выпрямляющие свойства контакта "металл - полупроводник"

Из рассмотренных видов контактов наибольший интерес представляют контакты, при создании которых образуются запорные слои. Объясняется это тем, что именно такие контакты обладают ярко выраженной односторонней проводимостью. Если в замкнутой цепи имеется контакт с запорным слоем, то при одной полярности включения источника сила тока велика (прямое направление), а в случае противоположной полярности включения источника сила тока оказывается во много раз меньшей (запорное направление). Рассмотрим проявление этого эффекта на примере уже знакомого нам контакта полупроводника n-типа с металлом. Зонная схема такого контакта, находящегося в равновесном состоянии, приведена на рисунке 59, а.

Рис. 59

Прежде всего обратим внимание на то, что в отличие от рисунка 57 на этой схеме не указаны энергетические уровни, соответствующие энергии электронов в вакууме (нет уровней В_м и В_п). Такое упрощение связано с тем, что при рассмотрении контактных явлений выход электронов в вакуум уже не представляет интереса, и, следовательно, нет необходимости указывать на схеме абсолютные значения термодинамической работы выхода А_м и А_п для металла и полупроводника. Разность же работ выхода контактирующих тел, определяющая условия установления равновесия и характеризующая свойства границы раздела, отражена на схеме высотой потенциального барьера

Потенциальный барьер, возникающий на границе раздела, является регулятором потока электронов, идущих из полупроводника в металл. В начальный момент после образования контакта число электронов, проходящих за 1 с из полупроводника в металл, намного превосходит встречный поток, то есть число электронов, проходящих за 1 с из металла в полупроводник. Это происходит потому, что работа выхода из рассматриваемого полупроводника меньше работы выхода из металла. Но затем по мере возрастания разности потенциалов и, следовательно, напряженности электрического поля, препятствующего переходу электронов из полупроводника в металл, происходит выравнивание обоих противоположно направленных потоков. При этом ток через контакт не течет.

Включение внешней разности потенциалов равновесия и к появлению тока через поверхность раздела. Сила тока зависит от полярности подключения источника и значения приложенной разности потенциалов.

Действие внешней разности потенциалов в прямом направлении. Рассмотрим сначала случай, когда приложенная к контакту "металл - полупроводник" внешняя разность потенциалов действует навстречу контактной разности потенциалов. Это означает, что на полупроводник относительно металла подается отрицательный потенциал, благодаря чему все энергетические уровни полупроводника, в том числе и уровень Ферми, поднимаются на величину eU (где U - приложенная разность потенциалов). Такое смещение уровней (рис. 59, б) приводит к уменьшению потенциального барьера, который должны преодолеть электроны, идущие из полупроводника в металл. Он теперь становится равным

Уменьшение потенциального барьера φ приводит к резкому возрастанию числа электронов, переходящих из полупроводника в металл. В то же время потенциальный барьер на пути электронов, идущих из металла в полупроводник, сохраняет свою величину неизменной. Поэтому поток электронов из металла остается таким же, каким он был в отсутствие внешнего поля. Таким образом, баланс токов, текущих через контакт, оказывается нарушенным: поток электронов из полупроводника в металл во много раз превышает встречный поток электронов из металла. Нарушение баланса потоков приводит к появлению тока через контакт, направленного из металла в полупроводник, причем сила тока тем больше, чем больше разность потенциалов U, приложенная к контакту.

Благодаря тому что сопротивление объема полупроводника, и тем более металла, во много раз меньше сопротивления запорного слоя, приложенная разность потенциалов практически полностью падает на приконтактной области полупроводника. Это приводит к уменьшению в приконтактной области разности потенциалов и напряженности поля, выталкивающего электроны из этой области в объем полупроводника. Изгиб энергетических зон при этом, естественно, уменьшается, так же как уменьшается и протяженность области, обедненной основными носителями. Говоря иными словами, приложение внешней разности потенциалов в рассматриваемом случае приводит не только к снижению потенциального барьера φ, но и к уменьшению толщины запорного слоя d₀ и, следовательно, к уменьшению сопротивления контакта. Оба эти фактора способствуют увеличению силы тока, текущего через контакт.

В этом случае о внешней разности потенциалов говорят, что она приложена в прямом, или пропускном, направлении.

Действие внешней разности потенциалов в обратном направлении. Диаметрально противоположная картина наблюдается в исследуемом контакте, когда действия приложенной к нему внешней разности потенциалов и контактной разности потенциалов происходят в одном направлении. В этом случае говорят, что внешняя разность потенциалов приложена в обратном, или запорном, направлении.

Подведение такой разности потенциалов приводит к тому, что все энергетические уровни полупроводника, в том числе и уровень Ферми, теперь опускаются на величину eU (рис. 59, в) относительно положения, которое они имели в условиях равновесия. Высота потенциального барьера, препятствующего переходу электронов из полупроводника в металл, при этом увеличивается и становится равной

а интенсивность потока электронов, идущих из полупроводника в металл, уменьшается. Поскольку потенциальный барьер на пути электронов, идущих из металла в полупроводник, при этом сохраняет свое значение неизменным, то баланс встречных потоков электронов через плоскость контакта нарушается: поток электронов, идущих из металла, будет больше встречного потока, благодаря чему через контакт начинает протекать ток, направленный от полупроводника к металлу.

Отметим, что нарушение равновесия встречных потоков электронов через контакт "металл - полупроводник" в случаях действия внешнего напряжения в прямом и запорном направлениях происходит по различным схемам. В первом случае равновесие нарушается из-за возрастания потока электронов, идущих из полупроводника в металл. Ток, возникающий при этом в цепи, обусловлен преобладанием этого потока над встречным потоком электронов, остающимся таким же, как в отсутствие внешнего напряжения. Преобладание это тем больше, чем больше приложенная разность потенциалов. Поэтому с повышением внешней разности потенциалов в определенных пределах возрастание тока оказывается практически неограниченным.

В случае же, когда внешнее напряжение действует в запорном направлении, равновесие электронных потоков нарушается из-за уменьшения потока электронов, идущих из полупроводника в металл. Поэтому возникновение тока связано с тем, что поток электронов, идущих из металла в полупроводник, не компенсируется встречным потоком. При этом чем больше запорное напряжение, тем меньше компенсация. Когда же высота потенциального барьера на пути электронов, идущих из полупроводника в металл, станет настолько большой, что переход электронов в металл практически прекращается, сила тока через контакт достигнет максимального значения. Дальнейший рост запорного напряжения уже не вызывает увеличения силы тока. Это объясняется тем, что высота потенциального барьера на пути электронов, идущих из металла в полупроводник, не зависит от приложенного запорного напряжения.

Максимальный ток, проходящий через контакт в запорном направлении, называется током насыщения. Плотность тока насыщения обозначается через I_s.

Нарастанию запорного тока препятствует еще то, что внешняя разность потенциалов, распределяясь в основном в припограничной области полупроводника, складывается с контактной разностью потенциалов, благодаря чему усиливается электрическое поле, выталкивающее основные носители - электроны - в глубь полупроводника. Это приводит к обеднению электронами более широкой приконтактной области полупроводника и, следовательно, к увеличению толщины запорного слоя и росту его сопротивления.

Вольт-амперная характеристика контакта "металл - полупроводник". Несимметричность поведения контакта "металл - полупроводник" в отношении зависимости силы тока от внешнего напряжения иллюстрирует вольт-амперная характеристика такого контакта, ход которой приведен на рисунке 60. Из рисунка видно, что рассматриваемый контакт обладает четко выраженной односторонней проводимостью: он неограниченно пропускает ток в прямом направлении и почти не пропускает в обратном.

Рис. 60

Омический контакт. Односторонней проводимостью обладают далеко не всякие контакты металла с полупроводником, а только те, при создании которых возникает запорный слой. Контакты, характеризующиеся образованием антизапорного слоя, лишены этого свойства.

Контакты, при образовании которых создаются антизапорные слои, нашли в радиотехнике и электронике не менее широкое использование для соединения различных устройств и приборов. Главное требование, предъявляемое к подсоединяющим контактам, заключается в том, чтобы они не искажали форму и характер сигнала. Для этого необходимо, чтобы их вольт-амперная характеристика была линейной. Как раз этому требованию и удовлетворяют контакты с антизапорным слоем. Для них выполняется закон Ома, и они поэтому получили название омических. Типичная вольт-амперная характеристика омического контакта приведена на рисунке 61.

Рис. 61