11. Kontakty metal-półprzewodnik „n” i
„p” (złącza omowe i prostujące)
Michał Morek
11. Kontakty metal-półprzewodnik „n” i
„p” (złącza omowe i prostujące)
Michał Morek
Wstęp
Kontakt metal półprzewodnik określany jest
skrótem m-s (ang. metal-semiconductor).
Historycznie rzecz biorąc diody typu m-s były
pierwszymi praktycznie wykorzystywanymi
przyrządami półprzewodnikowymi.
Kontakt m-s może posiadać liniową lub
nieliniową charakterystykę prądowo-napięciową
I(U).
Wstęp
Złącza m-s wykorzystywane jako kontakty
struktury półprzewodnikowej z zewnętrznymi
wyprowadzeniami powinny mieć charakterystykę
liniową tak aby nie wpływać na charakterystyki
elementu właściwego. Tego typu złącza to kontakty
omowe. Charakteryzują się niewielkimi
rezystancjami niezależnymi od kierunku polaryzacji.
Złącza m-s o nieliniowej charakterystyce I(U)
wykorzystywane są jako diody – popularnie zwane
diodami Schottky’ego, w których występuje kontakt
prostujący.
Uproszczony model kontaktu
m-s (1)
Uproszczony model kontaktu m-s zakłada brak
występowania stanów powierzchniowych. W takim
przypadku o charakterze złącza (tj. charakterze
przebiegu zależności I=f(U)) decyduje różnica prac
wyjścia elektronów z metalu
m
i półprzewodnika
s
.
Praca wyjścia elektronu
jest to praca jaką należy
wykonać aby przenieść elektron z poziomu Fermiego
do poziomu próżni lub inaczej minimalna energia
kinetyczna elektronu potrzebna do opuszczenia
przez niego powierzchni ciała stałego.
Uproszczony model kontaktu
m-s (2)
Możliwe są cztery przypadki zależności pomiędzy
m
i
s
:
– dla półprzewodnika typu „n”:
(1)
m
<
s
(2)
m
>
s
– dla półprzewodnika typu „p”:
(3)
m
<
s
(4)
m
>
s
W przypadku (1) i (4) złącze m-s jest kontaktem
omowym, natomiast w przypadku (2) i (3) kontaktem
prostującym (Schottky’ego).
Uproszczony model kontaktu m-s
(3)
kontakt omowy, pp. typu „n”
R
s
>>R
a
>>R
m
Uproszczony model kontaktu m-s
(4)
kontakt prostujący, pp. typu „n”
R
d
>>R
s
>>R
m
Przepływ prądu przez kontakt
m-s
J
nm
– strumień elektronów przechodzących ponad barierą z metalu do pp. (prąd
emisji
termoelektrycznej)
J
ns
- strumień elektronów przechodzących ponad barierą z pp. do metalu.
J
pm
– strumień dziur płynących z metalu do pp, jest to inaczej str. elektr.
przechodzących
z pasma walencyjnego pp. do pustych poziomów
energetycznych w metalu.
J
ps
– strumień dziur płynących z pp. do metalu jest to inaczej str. elektr.
przechodzących z pasma walencyjnego metalu do pustych poziomów
energetycznych w metalu.
-
+
+
-
C
z
(U) – reprezentuje pojemność złącza,
R
s
– rezystancja szeregowa obszaru neutralnego półprzewodnika.
R
u
– rezystancja równoległa upływu,
Brak pojemności dyfuzyjnej!
Schemat zastępczy
Charakterystyka I=f(U) złącza
m-s
1
m
U
exp
J
J
T
nm
T
-
potencjał elektrokinetyczny
J
nm
-
prąd emisji termoelektrycznej
Rzeczywisty kontakt m-s
Model pasmowy półprzewodnika
typu „n” posiadającego stany
powierzchniowe
W rzeczywistym kontakcie m-s stany
powierzchniowe mają duży wpływ na
właściwości styku.
Przy dużych gęstościach właściwości
złącza m-s zależne są od stanów
powierzchniowych nie zaś od pracy
wyjścia. Charakterystyczne dla dużych
gęstości stanów powierzchniowych jest
magazynowanie na powierzchni
półprzewodnika dużych ilości ładunków
ujemnych lub dodatnich. Przyczyną
tego magazynowania jest wyłapywanie
elektronów przez stany powierzchniowe
lub usuwanie ich z tych stanów
Powstaje wtedy warstwa
półprzewodnika o zmienionym typie,
warstwa inwersyjna. Powstanie tej
warstwy powoduje, że przy powierzchni
półprzewodnika występuje złącze p-n i
właściwości styku m-s w tym przypadku
są takie jak właściwości złącz p-n.
Literatura
1) W. Marciniak – „Przyrządy półprzewodnikowe i
układy scalone”, WNT, Warszawa 1979,
2) PDM - instrukcja do ćwiczenia 11 „Badanie
kontaktów metal-półprzewodnik”
Dziękuję za uwagę!
Dziękuję za uwagę!