Невыпрямляющие (омические) контакты металл-полупроводник
С помощью омических невыпрямляющих контактов происходит электрическое соединение полупроводников с металлическими проводниками. От качества этих контактов в значительной степени зависят параметры и характеристики приборов, а также их надежность и срок службы. Основные требования комическим контактам: 1) при прямом смещении они должны обеспечивать инжекцию основных носителей в полупроводник; 2) при обратном смещении препятствовать инжекции неосновных носителей в полупроводник; 3) иметь минимальное электрическое сопротивление; 4) иметь линейную вольт-амперную характеристику (ВАХ).
Эти условия выполняются при правильном подборе пары металл – полупроводник. Зонная диаграмма контакта металл — полупроводник n-типа приведена на рис. 6. Для этой пары должно выполняться соотношение Рм<Рn, где Рм – термодинамическая (внешняя) работа выхода электрона из металла, а Рn – из полупроводника n-типа. В такой паре энергия электронов в металле больше, чем в полупроводнике, и при установлении термодинамического равновесия часть электронов из металла перетекает в полупроводник. Уровень Ферми WF в металле и полупроводнике выравнивается. Вблизи металлургической гра
ницы со стороны металла возникает тонкий слой dм, обедненный электронами (т.е. заряженный положительно), а со стороны полупроводника – слой dn, обогащенный электронами. Контактное электрическое поле Ек направлено из металла в полупроводник. Оно приводит к изгибу уровней энергии дна зоны проводимости Wc и верха валентной зоны Wc в области dn. Однако напряженность контактного поля на несколько порядков меньше внутриатомной, поэтому ширина запрещенной зоны DW и внешняя работа выхода Рс остаются постоянными. Поле Ек способствует электрическому дрейфу основных носителей элек
тронов из полупроводника в металл и препятствует дрейфу неосновных носителей дырок. В состоянии термодинамического равновесия дрейфовая InE и диффузионная InD, составляющие электронного тока через металлургическую границу, уравновешивают друг друга.
Большая концентрация электронов в области контакта обеспечивает его высокую проводимость при любой полярности внешнего смещения. Потенциальный барьер j = qy препятствует инжекции неосновных носителей – дырок.Зонная диаграмма полупроводника n — типа с двумя омическими контактами при внешнем смещении приведена на рис.7. Проводимость металлов на несколько порядков больше проводимости полупроводников, поэтому практически все напряжение U будет приложено к полупроводнику n — типа, потенциал вдоль него изменяется линейно, также изменяется энергия электронов, и уровень Ферми имеет наклон. Левый омический контакт оказывается прямосмещенным, его толщина dпр становится меньше dn, и через небольшой горбик электроны из металла инжектируются в полупроводник n-типа, затем они скатываются вниз по наклону дна зоны проводимости, достигают обогащенной электронами зоны правого обратносмещенного контакта и через металлургическую границу попадают (стекают) в правый металлический контакт, откуда уходят во внешнюю цепь. Дырки из правого контакта не могут преодолеть потенциальный барьер и инжектироваться в полупроводник. Неосновные носители практически не участвуют в проводимости полупроводника.
Зонная диаграмма контакта металл – полупроводник р-типа в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис.8. Для этой пары должно соблюдаться условие Рм >Рр, тогда при установлении термодинамического равновесия Eк направлено из полупроводника в металл, вблизи металлургической границы возникает обогащенная дырками область, а неосновные носители – электроны находятся в потенциальной яме глубиной j = qy и не могут инжектироваться в металл.
Вольтамперная характеристика омического контакта металл-полупроводник приведена на рис.9. Характеристика является линейной, небольшие нелинейности возникают при больших прямых и обратных напряжениях.
Изготовление омических контактов связано с большими трудностями. Концентрация дефектов и примесей на поверхности полупроводников существенно выше, чем в глубине монокристалла. На поверхности образуются обедненные основными носителями области и слои с инверсным типом проводимости, что существенно ухудшает свойства омических контактов. Для устранения этих недостатков создаются омические М–n + –n или М–р + –р контакты. Зонная диаграмма контакта М–n + –n в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис.10. В связи с тем что металл контактирует с вырожденным полупроводником n + -типа, поверхностные дефекты не оказывают существенного влияния на качество контакта, а граница раздела вырожденный полупроводник n+ – низколегированный полупроводник n-типа находится в глубине монокристалла, где концентрация примесей и дефектов меньше, чем на поверхности. Аналогично изготавливают контакт М–р + –р.
Омические контакты
Основные характеристики омических контактов и механизмы протекании тока
Омический контакт служит для связи активной области прибора с другими элементами или компонентами интегральной схемы или, в случае дискретного исполнения прибора, с внешними выводами его корпуса. Обычно омический контакт имеет структуру Ме-и’ или Ме-//.
Как известно, контакт металл-полупроводник может быть либо выпрямляющим (барьерным), если потенциальный барьер между металлом и полупроводником туннельно непрозрачный, либо омическим, если потенциальный барьер отсутствует или он туннельно прозрачен для электронов. Омический контакт обычно образуется в случаях, когда [14]:
- — потенциальный барьер между металлом и полупроводником отсутствует, то есть для полупроводника «-типа с низкой плотностью поверхностных состояний в запрещенной зоне выбирается металл с работой выхода электронов из металла меньшей, чем сродство к электрону полупроводника (контакт первого типа);
- — потенциальный барьер присутствует, но он узкий (туннельно прозрачный), что обычно достигается сильным легированием приповерхностной области полупроводника (контакт второго типа);
- — потенциальный барьер присутствует, но он низкий и легко преодолевается за счет термоэлектронной эмиссии носителей, что обычно достигается изменением химического состава полупроводника вблизи контакта, например, созданием узкозонного прикон- гактного слоя (контакт третьего типа).
Омические контакты являются важным компонентом конструкции солнечных элементов. Доказано, что допустимые потери мощности на сопротивлении контактов в СЭ обычно составляют
1 % выходной мощности, что соответствует падению напряжения на контактах, равному 6 мВ. При работе элемента в условиях однократной освещенности (С = 1) такие потери возможны при сопротивлении сплошного тыльного контакта р(. = 0,2 Ом-см 2 и фронтального сетчатого контакта рс. = 0,01 Ом-см». Требуемые для получения достаточно высоких КПД элементов значения рс в первом приближении обратно пропорциональны коэффициенту концентрации излучения, и поэтому к технологии изготовления контактов для СЭ, используемых при большой облученности, предъявляют высокие требования.
Омический контакт должен удовлетворять следующим требованиям:
- — сопротивление такого контакта должно быть очень низким (Л —> 0); на практике оно может быть пренебрежимо мало по отношению к объемному сопротивлению полупроводника;
- — контакт не должен быть инжектирующим, поскольку при инжекции с контакта увеличивается ток;
- — ВАХ контакта должна быть линейной.
Рассмотрим основные параметры омических контактов.
Скорость рекомбинации на контакте 
где Ф7, — плотность потока носителей заряда через контакт; (у;ф — р0) — избыточная концентрация носителей заряда у контакта; р — концентрация носителей вблизи границы контакта; Ур — скорость движения потока носителей вблизи границы контакта.
При большой Фр скорость 8Р будет определяться скоростью движения носителей через контакт. Максимальная скорость движения не может превышать тепловую (рис. 2.22).
Рис. 2.22. Зависимость скорости рекомбинации носителей заряда на контакте от плотности потока носителей заряда через контакт:
I — идеальный контакт с бесконечно большой скоростью рекомбинации;
2 — реальный контакт со скоростью 5), равной максимально возможной скорости движения носителей заряда; 3 — реальный контакт со скоростью Бр меньшей максимальной скорости движения носителей
Сопротивление омического контакта:
статическое 
где у — плотность тока;
динамическое (дифференциальное) 
Параметры нелинейности:
— коэффициент выпрямления 
, чем ближе к к 1, тем лучше
— коэффициент нелинейности 
, чем ближе р к 1, гем
лучше омический контакт.
Рис. 2.23. ВАХ омического контакта
Основной характеристикой омического контакта является его сопротивление, приведенное к единице площади контакта (рис. 2.23). Сопротивление контакта состоит из последовательно соединенных сопротивления ириконтактной области и сопротивления, связанного с прохождением электронами потенциального барьера.
Сопротивление приконтактной области — эго сопротивление сильно легированной области и сопротивление ?»-«-перехода.
Сопротивление сильно легированной области обычно очень мало. Например, сопротивление « — СаАз слоя (« + = 10 19 см 3 ) с толщиной 1 мкм и подвижностью электронов около 10 3 см 2 /(В с) составляет примерно 6 — КГ’ 4 Ом см 2 .
Сопротивление р-п (в частности, «-«’-перехода) обратно пропорционально концентрации электронов.
Удельное контактное сопротивление определяют при нулевом напряжении смещения в соответствии с соотношением
. При малых падениях напряжения (менее 20 мВ)
рН1 является хорошим приближением для эффективного контакгно-
го сопротивления солнечного элемента в рабочем режиме. Как правило, рс0 резко уменьшается при увеличении концентрации носителей заряда в полупроводнике и возрастает при понижении температуры.
Существует несколько методик теоретического расчета величины р(. Однако на практике на рс могут оказывать существенное влияние слои на границе раздела (например, естественные оксиды), повреждения поверхности, инжекция неосновных носителей заряда и глубокие примесные уровни. Сложность учета этих факторов затрудняет сопоставление теоретических и экспериментальных данных, и поэтому основная часть исследований омических контактов направлена главным образом на изучение технологических методов, которые позволяют получить контакты с малым полным сопротивлением.
Так как на границе полупроводник — металлический контакт образуется потенциальный барьер Шоттки, то основными механизмами протекания зарядов будут термоэлектронная полевая эмиссия и прямое туннелирование. Обычный способ создания такого эффективного контакта связан с сильным легированием тонкого полупроводникового слоя, прилегающего к металлу, обеспечивающим уменьшение толщины барьера до 10 нм. При формировании этой тонкой сильно легированной области необходимо предотвратить внедрение компенсирующих примесей или образование дефектов, которые могут уменьшить концентрацию носителей заряда. Таким образом, свойства контактов могут существенно зависеть от особенностей метода их изготовления.
Полупроводники групп А 4 и А’В’ (кроме нитридов и /?-1пАз) обычно имеют высокую концентрацию поверхностных состояний, расположенных в глубине запрещенной зоны, что приводит к жесткому закреплению уровня Ферми на поверхности. Поэтому для образования омического контакта к ним можно поступить двумя способами:
- 1) понизить плотность поверхностных состояний, например, обработкой растворами, содержащими серу,
- 2) использовать второй или третий тин контакта.
В большинстве областей применения полупроводников используется туннелирование носителей через тонкий потенциальный барьер.
Подобные контакты с туннельным механизмом протекания тока делят на два класса:
От чего зависит сопротивление омического контакта
Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский технический университет связи и информатики»
Кафедра «Электроника»
Лабораторная работа №2
по теме: «Исследование металло-полупроводниковых переходов»
по дисциплине «Электроника»
Выполнила: студентка БСТ2001
Проверила: старшая преподавательница
Цель работы
Целью работы является исследование металло-полупроводниковых переходов при использовании различных сочетаний металла и полупроводника. При этом определяются следующие характеристики и параметры:
– тип контакта (омический или Шотки);
– сопротивление омического контакта.
Для контакта Шотки при U = 0 определяются:
– контактная разность потенциалов;
Краткая теория
Таблица 1 – Глоссарий
Концентрация акцепторной примеси
Концентрация донорной примеси
Сопротивление контакта «металл-полупроводник»
Контактная разность потенциалов
Работа выхода металла
Работа выхода полупроводника
Коэффициент подвижности носителей заряда в п/п
Контактная разность потенциалов
Коэффициент, зависящий от типа п/п
3 Ход лабораторной работы
Рисунок 1 — Металло-полупроводниковые перехода
Таблица 2 – Заполненная таблица для варианта 11
Вариант с уменьшенным сопротивлением (для омического контакта)
Вариант с увеличенной толщиной перехода и напряжением пробоя
Вариант с уменьшенной барьерной ёмкостью
Исходные данные
Результаты при Т=300 К
Тип контакта в m-n варианте
Тип контакта в m-p варианте
, В
Диоды Шоттки превосходят pn-диоды благодаря лучшим частотным и импульсным, но уступают им в обратном напряжении.
5 Контрольные вопросы
Какой характер и почему имеют металло-полупроводниковые переходы при q×φм<q×φп?
Характер контакта металл–полупроводник зависит от соотношения работ выхода контактирующего металла qϕм и полупроводника qϕп.
В m-n переходе, происходит диффузия электронов из металла в полупроводник. Приграничная область обогащается электронами, поэтому и возникает омический контакт с низким внутренним сопротивлением.
В m-p переходе электроны, покинув металл и попав в полупроводник, рекомбинируют с дырками, в результате чего на границе образуется обеднённый слой, не проводящий ток. Ионы акцепторной примеси перестают компенсироваться, в результате чего их заряд и положительно заряженные ионы в приграничной части металла создают собственное электрическое поле контакта Шоттки.
Какой характер и почему имеют металло-полупроводниковые переходы при q×φм>q×φп.
При qϕм > qϕп в m-n переходе образуется обедненный слой, а в m-p – обогащенный. Поэтому в этом случае m-n переход – выпрямляющий (Шотки), а m-p – омический.
Как на свойствах металло-полупроводниковых переходов отражается состояние поверхности полупроводника?
Поверхностный заряд может сильно влиять на электрические характеристики перехода, вплоть до изменения самого характера контакта (омический или Шотки). Поэтому диоды Шотки получили распространение намного позже р-n диодов, когда была создана технология, обеспечивающая высококачественный контакт металла с предельно чистой и бездефектной поверхностью полупроводника.
От чего зависит сопротивление омического контакта?
R омического контакта определяется размерами и параметрами нейтральной части полупроводника по формуле:
Таким образом, R увеличивается при увеличении длины полупроводника L, уменьшается при увеличении площади перехода, концентрации примеси и подвижности зарядов в полупроводнике.
Какой вид имеет ВАХ контакта Шоттки? От чего зависит тепловой ток?
Тепловой ток I0, определяющий масштаб идеализированной ВАХ:
где А – константа, зависящая от типа полупроводника, Т – абсолютная температура, ϕT = kT/q – термический потенциал. Тепловой ток увеличивается при увеличении площади перехода, коэффициента типа полупроводника, температуры, уменьшается при увеличении контактной разности потенциалов.
От чего зависит напряжение пробоя контакта Шоттки? Как его можно увеличить?
Пробой происходит при превышении напряжённостью поля в переходе определённого значения. Напряжение пробоя можно увеличить, удлинив переход. Удлинить переход можно, уменьшив концентрацию примеси в полупроводнике.
От чего зависит барьерная ёмкость контакта Шоттки? Какова её роль? Как её можно уменьшить?
Барьерная ёмкость определяет частотные и импульсные свойства диода, а сама определяется следующим выражением: . Барьерную ёмкость можно уменьшить, уменьшая концентрацию примесей в полупроводнике, площадь перехода, и увеличивая работу выхода металла.
В чём и почему диоды Шоттки превосходят р-n диоды? В чём им уступают?
1) В открытом контакте Шотки не происходит образования диффузионного заряда неосновных носителей, как в р-n переходе. Поэтому у диодов Шотки нет диффузионной емкости, их частотные и импульсные свойства потенциально много лучше;
2) В диодах Шотки можно получить значительно меньшие напряжения открытого состояния по сравнению с кремниевыми р-п диодами. Поэтому тепловые потери в диодах Шотки значительно меньше.
Омические контакты
Омическими называют контакты, сопротивление которых не зависит от величины и направления тока. Другими словами, это контакты, обладающие практически линейной вольт-амперной характеристикой. Омические контакты обеспечивают соединение полупроводника с металлическими токопроводящими элементами полупроводниковых приборов. Кроме линейности вольт-амперной характеристики, такие контакты должны иметь малое сопротивление и обеспечивать отсутствие инжекции носителей из металлов в полупроводник.
Эти условия выполняются путем введения между полупроводником рабочей области кристалла и металлом полупроводника с повышенной концентрацией примеси. Контакт между полупроводниками одинакового типа электропроводности является невыпрямляющим и низкоомным. Металл выбирают так, чтобы обеспечить малую контактную разность потенциалов. Одним из способов получения омических контактов является введение в металл примеси, которой легирован полупроводник. В этом случае при сплавлении металла с полупроводником в контактной области образуется тонкий слой вырожденного полупроводника, что соответствует структуре, показанной на рис. 1.2-4.