2. ZJAWISKA KONTAKTOWE Energia elektronów w metalu Połączenia METAL-PÓŁPRZEWODNIK lub PÓŁPRZEWODNIK- PÓŁPRZEWODNIK wytwarzają obszary przejściowe (złącza) gdzie koncentracja nośników odbiega od tej w objętości materiału. Właściwości tych obszarów zmieniają się z napięciem zewnętrznym, co w efekcie daje nieliniowe charakterystyki prądowo- napięciowe. Wykorzystuje się to do : prostowania,wzmacniania, generacji drgań i in. Energia elektronów w metalu Rozkład gęstości elektronów

Zjawiska kontaktowe W temp. T > 0 istnieją elektrony mogące opuścić metal. Gęstość prądu emitowanych elektronów A - Stała Richardsona qΦ – praca wyjścia

Zjawiska kontaktowe Emisja elektronów z półprzewodnika Praca wyjścia w temperaturze pokojowej

2.1. Kontakt metal-półprzewodnik (złącze Schottky`ego) Zjawiska kontaktowe 2.1. Kontakt metal-półprzewodnik (złącze Schottky`ego) Założenie : Stan przed ustaleniem się równowagi

Zjawiska kontaktowe Stan równowagi

Zjawiska kontaktowe Stan równowagi przy bezpośrednim kontakcie Pole kontaktowe zakrzywia poziomy energetyczne. Aby pokonać barierę qUD elektron musi zyskać energię potencjalną.

Zjawiska kontaktowe Potencjał pola V(x) jest związany z gęstością ładunku przestrzennego ρ(x) równaniem Poissona: Przy stałej gęstości ρ = qNd energia potencjalna elektronów wynosi: przy czym grubość warstwy zaporowej wyliczona z warunku dla x=0 φ(x) = qUD wynosi:

Zjawiska kontaktowe Przykład: Nd= 1015cm-3 ε = 10 UD = 1V d = 1μm Zmiana energii dna pasma powoduje zmianę koncentracji elektronów: n0 - koncentracja równowagowa w objętości półprzewodnika

2.1.1. Wpływ napięcia zewnętrznego na obszar kontaktu m-p Zjawiska kontaktowe 2.1.1. Wpływ napięcia zewnętrznego na obszar kontaktu m-p nap. w kierunku przewodzenia U= 0 nap. w kierunku zaporowym Wszystkie poziomy podnoszą się o qU, bariera maleje Wszystkie poziomy opuszczają się o qU, bariera rośnie Napięcie zewnętrzne zmienia również grubość warstwy zaporowej:

2.1.2. Przewodzenie prądu przez złącze z barierą Schottky`ego Zjawiska kontaktowe 2.1.2. Przewodzenie prądu przez złącze z barierą Schottky`ego W stanie równowagi prądy j1 i j2 są równe (j1 = j2= js) jw. = j1- j2 = 0 przykładając napięcie w kierunku przewodzenia zmniejszamy barierę o qU i strumień elektronów płynących z półprzewodnika do metalu wzrośnie razy ( zgodnie ze statystyką). Tyle razy wzrośnie odpowiedni prąd, podczas gdy prąd z metalu do półprzewodnika nie zmieni się. Prąd wypadkowy :

Zjawiska kontaktowe Analiza dla napięcia wstecznego daje analogiczne wyrażenie ze zmienionym znakiem napięcia. Kierunek przewodzenia : U > 0 Kierunek zaporowy : U < 0 d2 > d1 d - grubość warstwy zaporowej Prostowanie na złączu metal / półprzewodnik (prąd przewodzenia >> prądu wstecznego) Dokładna teoria prądu przez barierę uwzględnia wiele czynników (gęstość stanów pow., rozmiar bariery, rodzaj ruchu nośników w obszarze bariery). Znane teorie dają wyrażenia zbliżone kształtem do wprowadzonego, różnice pojawiają się w wyrażeniach na js.

Elektryczny schemat zastępczy złącza dla pracy dynamicznej Zjawiska kontaktowe Elektryczny schemat zastępczy złącza dla pracy dynamicznej rs - rezystancja szeregowa Cj - pojemność barierowa Cd – pojemność dyfuzyjna Pojemność Cj zależy od napięcia zewnętrznego. Pojemność dyfuzyjna Cd jest do zaniedbania ze względu na niewystępowanie gromadzenia nośników dla U > 0 w pobliżu warstwy dipolowej (czas relaksacji dielektrycznej w metalu jest bardzo mały).

2.2. Złącze p-n Zjawiska kontaktowe Jest to obszar, w którym następuje zmiana typu przewodnictwa p n Powierzchnia rozdzielająca - złącze technologiczne. W otoczeniu - warstwa przejściowa (zubożona, zaporowa) będąca dipolową warstwą nieruchomego ładunku . Właściwości złącza zależą od rodzaju materiału, domieszek i sposobu rozłożenia domieszki technologia. Złącze stopowe (metalurgiczne) Si - Al Ge - In Roztopiony drut Al silnie domieszkuje Si dając materiał p-Si. Metoda obecnie rzadko stosowana.

Złącze dyfuzyjne Zjawiska kontaktowe T >1000°C Dyfuzja domieszki donorowej do półprzewodnika p lub akceptorowej do n. Stosuje się domieszki w formie gazowej lub ciekłej.

Rozkład domieszki w złączu dyfuzyjnym wynika z praw dyfuzji Zjawiska kontaktowe Rozkład domieszki w złączu dyfuzyjnym wynika z praw dyfuzji Rozkład domieszki przy dyfuzji akceptora ze źródła o stałej wydajności xj - współrzędna złącza technologicznego wyznaczona przez równanie Na(xj) - Nd = 0 W pobliżu xj przebieg aproksymuje się zależnością Jest to przykład tzw. złącza liniowego p-n.

Złącze implantowane Zjawiska kontaktowe Domieszkowanie w wyniku bombardowania kryształu jonami domieszek w przedziale energii od dziesiątek do setek keV. Możliwy jest dowolny profil rozkładu. Rozkład domieszek w wyniku wielokrotnej implantacji jonów o różnych energiach Proces niskotemp. (temp. pokojowa) Przykład złącza skokowego (abrupt)

Zjawiska kontaktowe Złącza epitaksjalne W trakcie procesu nanoszenia epitaksjalnego wprowadza się domieszkę z fazy gazowej lub ciekłej. Przykład złącza skokowego otrzymanego metodą epitaksji

2.2.1. Stan równowagowy złącza Zjawiska kontaktowe 2.2.1. Stan równowagowy złącza Zetknięcie obszarów n i p prowadzi do wzajemnej dyfuzji nośników na skutek gradientów koncentracji. Całkowity ładunek warstwy dipolowej musi być równy zero. Stąd: głębokość wnikania warstwy tym większa im mniejsza koncentracja domieszek dipolowa warstwa ładunku przestrzennego W obszarze dp+ dn brak ładunków swobodnych

Zjawiska kontaktowe Ładunek przestrzenny wytwarza pole elektryczne i potencjalne, które można wyznaczyć z równania Poissona: Dla złącza skokowego otrzymuje się nast. przebiegi potencjału V(x) i pola elektrycznego E(x) „Wbudowane” pole elektryczne Dla: (obszar 1) Dla: (obszar 2) Analogicznie: Obszar1: Obszar 2: UD- napięcie dyfuzyjne (bariera potencjału)

Zjawiska kontaktowe Wysokość bariery można wyliczyć z analizy prądu unoszenia i dyfuzji: nn- konc. elektronów w materiale n pp - konc. dziur w materiale p Bariera jest tym większa im większa jest różnica między koncentracjami nośników danego znaku w obu obszarach.

Zjawiska kontaktowe Przykład obliczenia wysokości bariery: Materiał : Si Nd = 5 · 1015 cm-3 = nn Na = 5 · 1015 cm-3 = pp Z prawa działania mas: W obszarze zubożonym mamy praktycznie do czynienia z samoistną koncentracją nośników (~1010cm-3) wobec ~1015cm-3 w obszarach pozabarierowych.

Rozmiar bariery wylicza się ze zmian potencjału i warunku neutralności Zjawiska kontaktowe Rozmiar bariery wylicza się ze zmian potencjału i warunku neutralności elektrycznej. Dla złącza skokowego: U - napięcie zewnętrzne Dla U < 0 rozmiar bariery rośnie. Zmiana napięcia polaryzacji daje zmianę wysokości bariery i jej grubości. Zmiana grubości związana jest ze zmianą ładunku dipolowego.

Zjawiska kontaktowe Można zdefiniować pojemność barierową poprzez zmianę ładunku dipolowego: Po podstawieniu za d otrzymuje się: Zależność pojemności barierowej od napięcia polaryzacji Zmiana ładunku dipolowego

Zjawiska kontaktowe 2.2.2. Przepływ prądu przez złącze p-n Stan równowagi U= 0 Prąd wypadkowy przez złącze równy zero

Zjawiska kontaktowe Napięcie wsteczne Rośnie bariera potencjału Prąd nośników większościowych silnie maleje, prąd nośników mniejszościowych nie zmienia się (dla kierunku przewodzenia prąd nośników większościowych rośnie, prąd nośników mniejszościowych nie zmienia się).

Prąd wypadkowy (równanie diody): Zjawiska kontaktowe Prąd wypadkowy (równanie diody): U > 0 - kier. przewodzenia U < 0 - kier. zaporowy Is - prąd nasycenia Rzeczywisty przebieg odbiega od idealnego w zakresie przewodzenia:

Rozkład koncentracji nośników w złączu Zjawiska kontaktowe Rozkład koncentracji nośników w złączu brak napięcia zewnętrznego napięcie w kierunku przewodzenia Bariera dla dyfundujących nośników większościowych obniża się o eV - iniekcja nośników mniejszościowych

Zjawiska kontaktowe napięcie w kierunku zaporowym Nośniki mniejszościowe są wychwytywane przez pole złącza i przenoszone na drugą stronę - ekstrakcja nośników mniejszościowych.