Дослідження контактної різниці потенціалів контакту метал-напівпровідника

Наявність потенційного бар’єру в запірному шарі приводить до того, що у контакті метал-напівпровідник можливе явище випрямлення. Нехай до контакту прикладена зовнішня напруга U. При цьому енергетичні рівні напівпровідника будуть підвищуватись або знижуватись відповідно від полярності U.

Якщо  до напівпровідника  прикладений  негативний потенціал, а до металу –  позитивний, то рівні енергії напівпровідника  піднімуться внаслідок компенсації  об’ємного заряду. У результаті цього число електронів, що переходять у метал, буде збільшуватись. Проте число електронів, які надходять з металу у напівпровідник , не зміниться, оскільки воно визначається при даній температурі лише контактною різницею потенціалів U_k і не залежить від прикладеної напруги. Отже із збільшення напруги потік електронів напівпровідника до металу буде зростати. Напрямок прикладеної напруги в даному випадку називається прямим.

Якщо  до напівпровідника прикладемо позитивний потенціал, а до металу – негативний, то рівні енергії у напівпровіднику  опуститься на величину eU і висота потенційного бар’єру з боку напівпровідника до металу збільшиться. Внаслідок цього потік електронів з напівпровідника в метал зменшиться. При збільшенні напруги цей потік буде швидко зменшуватись, так що при достатній величині прикладеної напруги через контакт буде проходити лише зворотній струм електронів з боку металу. Таким чином, результуючий потік електронів через контакт буде направлений від металу до напівпровідника. Величина цього потоку при слушному виборі пари метал - напівпровідника може бути досить малою вона практично не залежить від прикладеної напруги. Напрямок прикладеної у цьому випадку напруги називається затримуючим, запірним або зворотнім.

При великій  зворотній напрузі починають  позначатись додаткові процеси, такі як збільшення електропровідності напівпровідника у сильному полі, розігрів контакту та інші, що призводять до швидкого зростання зворотнього струму та врешті до пробою запірного шару.

Вольт-амперна характеристика контакту метал−напівпровідник зображена на рис. 8.

Рис. 8. Вольт-амперна характеристика контакту метал-напівпровідник:

1 − для тонкого запираючого шару, 2 − для товстого

Розглянемо аналітичний  вираз вольт – амперної характеристики. При цьому будемо рахувати, що товщина  бар’єрного шару невелика порівняно  з середньою довжиною вільного пробігу  носіїв заряду. При цій умові зіткненням електронів у самому бар’єрному шарі можна знехтувати. Це наближення відповідає так званій теорії випрямлення.

З напівпровідника у  метал перейдуть тільки ті електрони, кінетична енергія яких достатня, щоб подолати потенційний бар’єр, тобто

ді число частинок , які подолали енергетичний бар’єр та пройшли через одиницю поверхні за одиницю часу, буде таким:

де e - заряд електона, k - постійна Больцмана.

Отже щільність струму j₁ від металу до напівпровідника буде визначатися виразом     

Відповідно струм j₂ від напівпровідника до металу можна записати:

Використовуючи ці співвідношення  знайдемо щільність результуючого  струму від металу до напівпровідника _.

Таким чином, рівняння вольт- амперної характеристики можна записати у вигляді

Висновки

Виникнення  різниці потенціалів при контакті пар різних металів, металів і напівпровідників, пар напівпровідників. Взагалі то навряд чи можна знайти в літературі гідне пояснення цього ефекту. У прийнятій сьогодні версії контактна різниця потенціалів обумовлюється роботою виходу електронів з провідника з меншим її значенням в провідник з більшим значенням. У теорії Ейнштейна робота виходу у вакуум. Вона має на увазі наявність електричного поля між електродами, які розділені вакуумним проміжком. І один з електродів або підігрівається, або опромінюється зовнішнім випромінюванням. Виходить, що і без електричного поля можлива ця робота виходу, причому з одного металу в інший. Та ще нагрівання катода і зовнішнє випромінювання виключено, оскільки в зоні встановлюється термодинамічна рівновага. Наведена формула для контактної різниці потенціалів використовує значення роботи з переміщення електричного заряду з електростатики. Подивимося на визначення і побачимо: КОНТАКТНА різниця ПОТЕНЦІАЛІВ - різниця електричних потенціалів U, яка виникає між двома контактуючими провідниками в умовах термодинамічної рівноваги: U = (А1 - А2) / е, де А1 і А2 - роботи виходу провідників, е - заряд електрона. У електричного кола з декількох провідників різниця потенціалів визначається кінцевими провідниками і не залежить від проміжних. Контактна різниця потенціалів досягає величини в кілька еВ, вона залежить від властивостей провідника і стану його поверхні. Загалом, маємо перенесення явища фотоефекту (емісії) на явище контактної різниці потенціалів. Причому способів «вибивання» електронів з металу всього три. Перший - опромінення світлом, другий спосіб це нагріти джерело (катод до світіння) (Термоелектронна емісія). Третій спосіб це прикласти таку різницю потенціалів при малій відстані в десятки кіловольт так, щоб виникне автоеміссія. На цьому теорія якось і затикається, не пояснивши, звідки ця робота з нічого виникає, тобто по суті квантова теорія безсила пояснити виникнення даного ефекту.

Проте контактна різниця потенціалів грає важливу роль у фізиці твердого тіла і її додатках. Вона робить помітний вплив на роботу електровакуумних приладів., В електронних лампах контактна різниця потенціалів між електродами складається з доданими зовнішніми напруженнями і впливає на вигляд вольт-амперних характеристик. У термоелектронного перетворювачі енергії контактна різниця потенціалів використовується для прямого перетворення теплової енергії в електричну. Електрони «випаровуються» з гарячого катода з великою роботою виходу (див. Термоелектронна емісія) і «конденсуються» на аноді з малою роботою виходу. Різниця в потенційної енергії електронів перетворюється в роботу, вироблену в зовнішній електричного кола.

У випадку контакту металу з напівпровідником контактна різниця потенціалів зосереджена практично в напівпровіднику і при досить великій величині помітно змінює концентрацію носіїв струму в приконтактній області напівпровідника, а отже, і опір цього шару. Якщо утворюється шар з високим опором (збіднений носіями струму), то при накладенні зовнішньої різниці потенціалів концентрація носіїв заряду буде в ньому помітно змінюватися, причому несиметричним чином залежно від знаку зовнішньої напруги. Таким чином, контактна різниця потенціалів обумовлює нелінійність вольт-амперних характеристик контактів метал - напівпровідник, які завдяки цьому мають випрямні властивості.

Список використаних джерел

1. Бушок Г.Ф., Півень Г.Ф. Курс фізики. – К.: Вища школа, 1969 – 427с.
2. Иоффе А.Ф., Фізика напівпровідників. – М.: Видавництво академії наук СССР, 1957
3. Воробьев Ю.В., Добровольский В.Н., Стриха В.И. Методы исследования полупроводников. - К.: Высшая школа, 1988 - 230 с.
4. 3еегер К.М. Физика полупроводников. - М.: Мир, 1977 - 615с.
5. Палатник Л.С., Сорокин В.К. Материаловедение в микро- i электронике. - М.: Энергия, 1978-327 с.
6. Павлов Л.П., Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов. - М.: Высшая школа, 1975 - 200 с.
7. Ковтонюк Н.Ф., Концевой Ю.А. Измерение параметров полупроводниковых материалов. - М.: Металлургия, 1970 - 432 с.
8. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников О.Г. Физика полупроводников. - М.: Наука, 1977 - 674 с.
9. Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и металловедение. - М.: Металлургия, 1973 - 350 с.
10. Киреев П.С., Физика полупроводников. - М.: Высшая школа, 1969 - 590 с.