Дослідження контактної різниці потенціалів контакту метал-напівпровідника

МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ І СПОРТУ УКРАЇНИ

КАМ’ЯНЕЦЬ-ПОДІЛЬСЬКИЙ  НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ  ІВАНА ОГІЄНКА

КАФЕДРА ФІЗИКИ

 

 

 

КУРСОВА РОБОТА НА ТЕМУ:

«Дослідження контактної різниці потенціалів контакту метал-напівпровідника»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План

 

ВСТУП 3

Розділ 1. Загальні відомості про контакт метал-напівпровідник   

1. Електропровідність металів та напівпровідників   
2. Контактні матеріали і види контактних систем

Розділ 2. Контактні явища в провідниках

1. Контакт метал - напівпровідник
2. Дослідження контактної різниці потенціалів контакту метал - напівпровідника

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

 

 

 

 

 

Вступ

Основні властивості напівпровідникових матеріалів обумовлюють широке технічне застосування для виготовлення найрізноманітніших пристроїв − напівпровідникових діодів, транзисторів, тиристорів, фотодіодів, фототранзисторів, світлодіодів, напівпровідникових лазерів, а також датчиків тиску, магнітних полів, температур, випромінювань та ін. Використання напівпровідників викликало корінні зміни в кібернетиці, автоматиці, телемеханіці. Напівпровідникова електроніка відкрила нові шляхи мікромініатюризації електронного обладнання.

Під омічним контактом розуміють контакт метал-напівпровідник, що володіє лінійною вольт-амперною характеристикою, в якому не відбувається інжекції неосновних носіїв. Омічними контактами забезпечується кожний напівпровідниковий прилад або ІМС для здійснення електричного зв’язку між їх елементами і зовнішнім колом.

 

 

 

 

 

Розділ 1. Загальні відомості про  контакт метал-напівпровідник

1.1 Електропровідність металів та напівпровідників

Всі речовини в природі по електрофізичних властивостях можуть бути розділені на три великі класи: метали, напівпровідники і діелектрики. Найпростіше, здавалося б, класифікувати речовини по питомому електричному опору. У металів він знаходиться в межах 10^-6 – 10^-4 Ом∙см (наприклад, питомий опір срібла при кімнатній температурі складає 1,58∙10^-6 Ом∙см, сплав ніхром має питомий опір 1,05∙10^-4 Ом∙см). Речовини з питомим опором від 10^-4 до 10¹⁰ Ом∙см були віднесені до напівпровідників (наприклад, питомий опір сірчистого кадмію при кімнатній температурі залежно від технології його виготовлення лежить в межах від 10^-3 до 10¹² Ом∙см, а германію – від 10^-4 до 47 Ом∙см). Нарешті, речовини з питомим опором більше 10¹⁰ Ом∙см вважаються діелектриками (наприклад, при 200 °С питомий опір слюди залежно від її складу має 10¹³ – 10¹⁶Ом∙см, скла – 10 ⁸ – 10¹⁵ Ом∙см).

З наведених прикладів видно, що при переході від одного класу речовини до іншого значення питомого опору перекриваються. Тому питомий опір не може служити як однозначний критерій для класифікації речовин. Однак при знятті температурних залежностей питомого опору ρ₀ розходження між металами й напівпровідниками часто проявляється досить чітко.

Для напівпровідників характер температурної залежності питомого опору і провідності інший. Для деякого інтервалу температур ці залежності мають вигляд:

  (1.1),

(1.2),

де  , – деякі постійні для даного інтервалу температур величини, характерні для кожної напівпровідникової речовини.

Такі залежності питомого опору і провідності від температури мають так звані не вироджені напівпровідники. Для них, як видно з графіка температурної залежності питомої провідності, наведеного на малюнку 1 характерна наявність позитивного температурного коефіцієнта питомої провідності, тобто:

 (1.3)

 

Малюнок 1 Зміна питомого опору кремнію залежно від температури.

Отже, напівпровідники  – це такі речовини, які при кімнатній  температурі мають питому провідність  в інтервалі від 10^-10 до 10⁴ См (Ом ^-1∙см ^-1), залежну в значній мірі від структури речовини, вигляду і кількості домішок і від зовнішніх умов: температури, тиску, освітлення, опромінювання ядерними частинками, електричного і магнітного полів.

Згідно  цьому визначенню між напівпровідниками  і діелектриками не існує принципової  якісної відмінності, бо вони володіють  провідністю тільки унаслідок теплового  збудження носіїв заряду. Більш різні  за своєю природою метали і напівпровідники. У металів провідність слабо  залежить від присутності домішок, зовнішніх умов і при будь-якій температурі концентрація вільних  електронів залишається постійною  і складає величину порядку 10²² см^-3. Провідність металів зумовлена наявністю вільних електронів, які рухаються подібно до частинок ідеального газу поміж іонами кристалічної ґратки металу.

Внаслідок зіткнень вільних електронів між собою, а також з іонами ґратки встановлюється енергетично рівноважний розподіл електронів. Повна енергія електронів у гратці - від’ємна. Це означає, що при вильоті електрону з металу на нього діє сила, яка намагається повернути його назад у метал. Для виведення електрона з металу в вакуум необхідно виконати роботу проти цих сил, яка називається роботою виходу .

Роботою виходу називається мінімальна робота, яку повинен здійснити електрон, щоб вирватись за межі даного металу в вакуум.

Цю роботу можна також характеризувати різницею потенціалів у металі та поза ним. Робота виходу А є різною для різних металів, і залежить від температури та від стану їх поверхні . При підвищенні температури деякі електрони внаслідок хаотичного руху набувають достатньо велику кінетичну енергію і можуть вилетіти за межі металу. Випускання електронів нагрітими провідниками називають термоелектронною емісією. Це явище використовується в електронних лампах та у багатьох інших електровакуумних приладах.

Відмінність між металами і напівпровідниками виявляється і в тому, що при проходженні струму через ланцюг, що складається з двох напівпровідників, сила струму нелінійно залежить від прикладеної до ланцюга різниці потенціалів.

Напівпровідникові речовини також можуть бути як електронними, так і іонними.

До електронних напівпровідників відноситься величезна кількість самих різних речовин. Напівпровідниками є як прості речовини: бор В, вуглець С, кремній Si, фосфор Р, сірка α-S, германій Ge, миш'як As, сіре олово α-Sn, сурма β-Sb, селен Se (червоний), теллур Тe, йод J, так і багато складних хімічних сполук.

Окрім неорганічних речовин напівпровідниковими властивостями володіють також і деякі органічні речовини, такі, як фталоцианіни і поліциклічні ароматичні вуглеводні (наприклад, бензол, нафталін, антрацен, нафтацен і ін.).

Напівпровідники мають повністю заповнену валентну зону, відділену від зони провідності неширокою забороненою зоною. Ширина забороненої зони напівпровідників зазвичай менша за 3 еВ. Неширока заборонена зона призводить до того, що при підвищенні температури ймовірність збудження електрона у зону провідності зростає за екcпоненційним законом. Саме цим фактом зумовлене збільшення електропровідності власних напівпровідників.

До напівпровідників відноситься велика кількість речовин і елементів, що по своїх електричних властивостях займають проміжне положення між провідниками і діелектриками.

Формальною  ознакою приналежності речовини до класу напівпровідників є величина питомої електропровідності, що для них може приймати значення в межах s=10²…10^–8 См/м (до провідників відносяться речовини з питомою електропровідністю s=10⁴…10³ См/м, до діелектриків – речовини, що мають s<10^–12 См/м).

Найважливішою властивістю й ознакою напівпровідників є залежність їхніх електричних властивостей від зовнішніх умов: температури, освітленості, тиску, зовнішніх полів і т.д. Характерна риса напівпровідників полягає в зменшенні їхнього питомого опору зі збільшенням температури.

Найбільш широке застосування в напівпровідниковій техніці одержали германій, кремній, селенів, а також напівпровідникові з'єднання типу арсенід галію, карбід кремнію, сульфід кадмію й інші.

Для напівпровідників характерна кристалічна будова, тобто закономірне й упорядковане розташування їхніх атомів у просторі. У кристалах зв'язані між собою атоми розташовуються строго певним чином і на однакових відстанях один від одного, у результаті чого утворюються своєрідні ґрати з атомів, що прийнято називати кристалічною решіткою твердого тіла. Для прикладу на малюнку 2 показана структура кристалічної германія.

 

Малюнок. 2. – Структура кристалічної решітки германія

Між атомами кристалічних решіток існують зв'язки. Вони утворюються валентними електронами, що взаємодіють не тільки з ядром свого атома, але і з сусідніми. У кристалах германія зв'язок між двома сусідніми атомами здійснюється двома валентними електронами – по одному від кожного атома. Схематично це показано на малюнку 3. Такий зв'язок між атомами називається двохелектронний, або ковалентний.

Малюнок 3. – Ковалентний зв'язок атомів

Характерна риса двох електронних зв'язків полягає в тому, що при їхньому утворенні електрони зв'язку належать вже не одному, а відразу обом, зв'язаним між собою атомам, тобто є для них загальними. У результаті зовнішня орбіта кожного з атомів має як би по вісім електронів і стає цілком заповненою. Кристалічна решітка, у якій кожен електрон зовнішньої орбіти зв'язаний ковалентними зв'язками з іншими атомами речовини, є ідеальною. У такому кристалі усі валентні електрони міцно зв'язані між собою і вільних електронів, що могли б брати участь у переносі зарядів, немає. Такі кристалічні решітки мають усі хімічно чисті бездомішкові напівпровідники при температурі абсолютного нуля (–273 °С). У цих умовах напівпровідникимають властивості ідеальних ізоляторів. 

1.2 Контактні матеріали і види контактних систем

Електричний бар’єр, що виникає при щільному контакті металу з напівпровідником визначається різницею робіт виходу електрона з металу φ_м і напівпровідника φ_п. Відповідно до моделі Шотткі контакт металу з напівпровідником буде омічним, якщо виконується умова φ_м<φ_п (для напівпровідників n-типу) і φ_м>φ_п (для напівпровідників р-типу). Проте в реальних умовах через вплив енергетичних рівнів на межі розділу метал-напівпровідник омічні контакти в більшості випадків не вдається одержати відповідним підбором цих величин.

Якість контакту поліпшується при  створенні сильно легованої білякоконтактної області в напівпровіднику. Така область має той же тип електропровідності, що і напівпровідниковий матеріал, до якого формується контакт, внаслідок чого утворюється структура n⁺-n- або р⁺-р- типу.

Рис. 4 Енергетична діаграма контакту з сильно легованою областю напівпровідника:

І − метал; ІІ − напівпровідник; n⁺ − сильно легована область

Як випливає з енергетичної діаграми (рис. 4), між металом і легованою приповерхневою областю напівпровідника існує потенційний бар’єр φ_δ. Внаслідок того, що ця область легована сильно, збіднений шар поблизу бар’єру достатньо тонкий, бар’єр стає як би прозорим і для проходження струму через контакт необхідне дуже малий спад напруги (явище тунелювання). При цьому знижується опір контакту і ослаблюються його інжекційні властивості (високий рівень легування біляконтактної області напівпровідника приводить до зниження часу життя неосновних носіїв заряду, що значно ослаблює вплив інжекції). Більша частина струму І_n через контакт обумовлена рухом електронів, інжекційна складова І_p − дірок. Відношення цих складових струму має вигляд

де φ  − контактна різниця потенціалів; k − стала Больцмана; Т − температура. З приведеного співвідношення слідує, що для поліпшення якості контакту слід знижувати потенціальний бар’єр і збільшувати φ.

Сильно  легована область може бути одержана вплавленням, дифузією або іонною імплантацією відповідної домішки. Такі області створюють при формуванні омічних контактів в Ge, Si, GaAs та інших напівпровідниках. Проте в деяких широкозонних напівпровідниках одержати їх важко внаслідок ефекту компенсації домішок власними дефектами протилежного знаку. Інжекційні властивості контакту слабшають при появі рекомбінаційних центрів в області на межі розділу метал-напівпровідник. Такий рекомбінаційний, або порушений, шар можна створити шляхом введення домішок, що є ефективними центрами рекомбінації або за рахунок відповідної обробки поверхні напівпровідника.

Вимоги  до фізико-хімічних, зокрема металургійних, властивостей контакту, від яких залежить його надійність, суперечливі. Так, матеріал контакту, з одного боку, повинен бути інертним, з іншою − володіти здатністю відновлювати оксидну плівку напівпровідника (без цього не може бути отриманий задовільний контактний опір). Крім того, контакт не повинен глибоко проникати в напівпровідник, а це знижує його міцність.

Краще за інші метали вимогам, що пред’являються до контактного матеріалу, задовольняє  алюміній. Алюміній має високу провідність, він пластичний, володіє хорошою  адгезією до кремнію, SiO₂ і Si₃N₄, легко піддається обробці фотолітографії із застосуванням травників, не взаємодіючих з кремнієм і SiO₂. Алюміній утворює стабільну металургійну систему з кремнієм. До плівок з алюмінію легко приварювати виходи методом термокомпресії.