Тема 3. Физика контактов

3.1. Контакты металл–полупроводник

1. Тип контакта и высота барьера Шоттки
Дано: φ_m = 4.8 эВ, φ_s (n-типа) = 4.0 эВ.

Для n-типа полупроводника:

• если φ_m > φ_s → формируется барьер Шоттки (выпрямляющий контакт);
• если φ_m < φ_s → оммический контакт.

Так как 4.8 > 4.0, контакт барьерный (Шоттки).

Высота барьера:
φ_b = φ_m − φ_s = 4.8 − 4.0 = 0.8 эВ.

Зонная диаграмма: после контакта уровень Ферми выравнивается, в n-полупроводнике зоны изгибаются вверх, образуется потенциальный барьер для электронов.

---

2. Сравнение ВАХ диода Шоттки и p–n перехода

Диод Шоттки:

• ток создаётся носителями большинства (электронами);
• механизм — термоэлектронная эмиссия и туннелирование;
• малая инерционность.

p–n переход:

• ток определяется инжекцией носителей меньшинства;
• существенно накопление заряда;
• меньшее быстродействие.

Два основных преимущества диода Шоттки:

1. очень высокое быстродействие (нет накопления заряда);
2. меньшее прямое падение напряжения.

---

3. Способы создания оммического контакта

• подбор металла с подходящей работой выхода;
• сильное приповерхностное легирование полупроводника;
• использование сплавных и силицидных контактов;
• термический отжиг контакта.

Почему сильнолегированный полупроводник даёт оммический контакт:
при высокой концентрации примеси область пространственного заряда становится очень тонкой, и носители легко проходят барьер за счёт туннелирования.

---

3.2. Гомопереходы (p–n переходы)

1. Контактная разность потенциалов и ширина ОПЗ

Дано: n_i = 10¹⁰ см⁻³, N_a = 10¹⁸ см⁻³, N_d = 10¹⁶ см⁻³, T = 300 K.

Контактная разность потенциалов:
φ_k = (kT/q) · ln(N_aN_d/n_i²) ≈ 0.83 В.

Ширина области пространственного заряда:
W ≈ 0.33 мкм.

Основная часть ОПЗ расположена в n-области, так как она слабее легирована.

---

2. Формирование p–n перехода и ОПЗ

При контакте p- и n-областей:

• электроны и дырки диффундируют навстречу друг другу;
• возникает электрическое поле и область пространственного заряда;
• устанавливается равновесие между диффузионным и дрейфовым токами.

При прямом смещении барьер уменьшается и ток растёт.
При обратном смещении барьер увеличивается и ОПЗ расширяется.

---

3. Барьерная и диффузионная ёмкости p–n перехода

Барьерная ёмкость:

• обусловлена областью пространственного заряда;
• уменьшается с ростом обратного напряжения;
• C_б ∝ 1/√(φ_k + U).

Диффузионная ёмкость:

• связана с накоплением носителей меньшинства;
• проявляется при прямом смещении;
• возрастает с увеличением тока.

Практическое значение:
барьерная ёмкость используется в варикапах для управления частотой, а минимизация обеих ёмкостей критична для работы ВЧ-диодов.