Контакт металл — полупроводник.

Пусть уровень Ферми в металле , который всегда расположен в зоне проводимости, лежит выше уровня Ферми полупроводника p-типа рис. 2.5, а, б).

Так как энергия электронов металла больше энергии носителей заряда полупроводника, то часть электронов перейдет из металла в полупроводник. Переход будет продолжаться до тех пор, пока уровни Ферми вблизи контакта не (в равновесной системе уровень Ферми должен единым).

Рис. 2.5. Энергетическая зонная диаграмма контакта металл-полупроводник р-типа: а — металл; б - полупроводник p-типа; в - контакт металл - полупроводник

В полупроводнике вблизи контакта окажется избыточный заряд электронов , которые начнут рекомбинировать с дырками. Концентрация последних вблизи контакта уменьшится, так как произведение концентраций носителей заряда в равновесном состоянии при данной температуре — величина постоянная. Уменьшение концентрации дырок приведет к нарушению электронейтральности на этом участке. Отрицательно заряженные ионы акцепторной примеси будут не скомпенсированы зарядами дырок и, следовательно, в полупроводнике вблизи места контакта образуется слой неподвижных отрицательно заряженных ионов акцепторной примеси. С уходом электронов из металла тонкий слой, прилегающий к месту контакта, зарядится положительно. В результате у границ контакта возникнут объемные заряды и появится контактная разность потенциалов. Образовавшееся электрическое поле будет препятствовать дальнейшему движению электронов из металла в полупроводник и способствовать переходу электронов из полупроводника -типа (неосновные носители заряда) в металл.

В равновесной системе наблюдается динамическое равновесие встречно движущихся основных и неосновных носителей заряда. Результирующий ток через переход равен нулю. Так как концентрация основных носителей заряда (дырок) в приконтактном слое полупроводника понижена по сравнению с их концентрацией в его объеме, то этот слой имеет повышенное удельное сопротивление, которое будет определять сопротивление всей системы. Уменьшение или увеличение концентрации носителей заряда характеризуется изменением положения уровня Ферми относительно соответствующих зон. При уменьшении концентрации дырок и увеличении концентрации электронов энергетическое расстояние между потолком валентной зоны и уровнем Ферми увеличивается, а между дном зоны проводимости и уровнем Ферми уменьшается. Поэтому энергетические уровни на узком приконтактном участке, толщина которого характеризуется так называемой дебаевской длиной , искривлены (рис. 2.5, в): см.

Если к системе подключить внешнее напряжение, причем плюс — к полупроводнику, а минус — к металлу, то возникнет дополнительное электрическое поле, снижающее внутреннее электрическое поле в переходе. Сопротивление приконтактного высокоомного слоя уменьшается и через переход потечет ток, обусловленный переходом электронов из металла в полупроводник. Увеличение приложенного напряжения приводит к увеличению тока. При смене полярности приложенного напряжения к металлу, к полупроводнику) внешнее электрическое поле суммируется с внутренним и приконтактный слой еще сильнее соединяется дырками. Сопротивление перехода увеличивается. Так как электрическое поле не препятствует движению электронов полупроводника -типа, последние будут проходить через переход, вызывая ток в цепи.

Рис. 2.6. Зонная диаграмма контакта металл — полупроводник, при котором возникает инверсный слой: а — металл; 6 - полупроводник -типа: в - контакт металл — полупроводник

Этот ток мал в связи с низкой концентрацией неосновных носителей заряда.

Таким образом, переход между металлом и полупроводником обладает вентильными свойствами. Его называют барьером Шотки.

Аналогичные процессы имеют место при контакте металла с полупроводником -типа, у которого уровень Ферми выше, чем у металла (рис. 2.6, а, б). Электроны из полупроводника переходят в металл, искривляя вверх энергетические уровни и обедняя поверхностный слой основными носителями заряда. Это приводит к нарушению электронейтральности на данном участке и образованию областей, состоящих из нескомпенсированных положительно заряженных ионов донорной примеси. Возникают контактная разность потенциалов и переход, обладающий вентильными свойствами.

В зависимости от положения уровня Ферми в металле при контакте его с полупроводником в последнем может образоваться слой (инверсный), имеющий даже противоположный тип электропроводности. Действительно, если взять металл, у которого уровень Ферми ниже середины запрещенной зоны , и полупроводник -типа и соединить их вместе, то энергетические уровни изогнутся так сильно, что вблизи валентной зоны уровень Ферми будет находиться на расстоянии, меньшем (рис. 2.6, в).

Такое расположение уровня Ферми относительно потолка валентной зоны характеризует электропроводность -типа. Следовательно, в полупроводнике -типа образовался слой с электропроводностью -типа, причем электропроводность одного типа плавно переходит в электропроводность другого. Это объясняется тем, что электронов в зоне проводимости полупроводника недостаточно для получения равновесной системы (выравнивания уровней Ферми).

Часть их из валентной зоны переходит в металл, в результате чего и появляются дырки.

Определенный интерес представляет случай контакта металл — полупроводник, когда уровень Ферми металла ниже соответствующего уровня полупроводника -типа, т. е. , и выше уровня Ферми полупроводника n-типа, т. е. .

При этом граничные слои не обеднены, а обогащены основными носителями и удельное сопротивление граничных слоев окажется значительно меньше, чем соответствующее сопротивление вдали от границы. Такие переходы являются основой омического контакта.

Действительно, при соединении металла с полупроводником -типа, у которых , электроны полупроводника перейдут в металл. В результате этого приповерхностный слой окажется обогащенным основными носителями заряда — дырками. Удельное сопротивление приконтактной области станет меньше, чем в объеме полупроводника. Аналогично, приконтактный слой полупроводника -типа при обогащен электронами за счет их перехода из металла, где уровень Ферми выше. Ввиду малого значения сопротивлений зон, прилегающих к контакту, они не оказывают существенного влияния на общее сопротивление системы. Подключение напряжения прямой или обратной полярности изменяет лишь степень обогащения приконтактных областей основными носителями заряда, практически не меняя общего сопротивления системы. На основе таких переходов металл — полупроводник выполняются выводы от областей полупроводника.