Исследование вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов и слоистых структур

водника, тем  больше глубина проникновения в  полупроводниик элект-

рического поля, вызванного контактной разностью потенциалов.

2.2. Реальный  контакт металл-полупроводник.

Все вышеприведенные  рассуждения справедливы для  случая, ког-

да поверхностные  концентрации носителей заряда в  полупроводнике

не отличаются от объемных. В то же время само наличие поверхнос-

ти, т.е. обрыва межатомных связей в некоторой плоскости, можно

рассматривать как двумерный дефект кристаллической  решетки полуп-

роводника. Еще  в 1932 г. И.Е.Тамм впервые показал, что  обрыв пе-

риодического потенциала кристалла на поверхности допускает допол-

нительные решения  уравнения Шредингера для электрона  в кристалле,

которые быстро затухают при удалении от поверхности. Это означа-

ет, что даже на идеальной, незагрязненной поверхности  полупровод-

ника существует свой спектр локальных энергетических уровней

(уровней Тамма), причем некоторые из них лежат  в запрещенной зоне

и выполняют  роль ловушек. Кроме того, на поверхности  полупровод-

ника в реальных условиях всегда образуется слой окисла и адсорби-

руется чужеродные атомы. Это приводит к появлению дополнительных

энергетических  уровней на поверхности. Таким образом, на реальной

поверхности полупроводника всегда имеется спектр локальных  уров-

ней, и его  наличие существенно влияет на происходящие на поверх-

ности процессы.

Поверхностные уровни-ловушки находятся в запрещенной  зоне, и

попавшие в  них электроны не могут проникнуть в глубь кристалла и

локализуются  на расстоянии одной-двух постоянных решетки  от по-

верхности. Появление  избыточного отрицательного заряда поверх-

ностных уровней (состояний) приводит к возникновению  вблизи по-

верхности полупроводника нескомпенированного положительного заря-

да. Следовательно, на свободной поверхности полупроводника еще до

контакта с  металлом возникает искривление  зон, и образуется запи-

рающий (рис.10,а) или антизапирающий (рис.10.б) слой.

Аналогичная картина  имеет место и при преобладании на по-

верхности полупроводника не электронных, а дырочных ловушек, при-

чем в случае полупроводника n - типа - антизапирающим.

Вследствии этого  в реальных контактах металл-полупроводник

высота барьера  может совершенно не зависеть от работы выхода

электронов из металла.

Высота барьера  на свободной поверхности определяется

плотностью поверхностных  состояний. Экпериментальные подтвержде-

ния этого впервые  были получены в 1947 году Бардиным, а  теорети-

ческие исследования проведены Таммом и Шокли. Высота барьера в

этих условиях определяется равенством нулю полного  заряда в при-

поверхностном слое и на поверхностных состояниях.

При контакте полупроводника n - типа с металлом при условии

высота барьера  увеличивается, а число электронов на

поверхности уменьшается (рис.11,а) И наоборот, при

высота барьера  уменьшается, а число электронов на поверхностных

состояниях увеличивается (рис.11,б). Однако при большой плотности

уровней на поверхности  эти изменения высоты барьера  будут незна-

чительны ( ).

Рассмотрим протекание тока через такой контакт.

При наличии  толстого изолирующего слоя окисла между  металлом

и полупроводником  приложенное напряжение в основном падает на

нем. Однако в  выпрямляющих контактах этот диэлектрический  зазор

настолько тонок, что является прозрачным для электронов. Поэтому

основное сопротивление  для тока представляет запирающий слой, и

почти всё внешние  напряжение падает на этом слое. Это означает,

что скачок уровня Ферми находится именно в приконтактном  слое по-

лупроводника, а  положение уровня Ферми на самой  поверхности и в

металле практически  совпадают (рис.12).

Так как заряд  на поверхностных состояниях при  протекании то-

ка заметно не изменяется, то высота барьера для электронов, иду-

щих из металла  в полупроводник при включении  внешнего напряжения,

также остается постоянной. Поэтому теория выпрямления  применима к

любым контактам, независимо от того, создан запирающий слой кон-

тактной разностью  потенциалов или зарядом, локализованных на по-

верхностных состояниях. Разница лишь в том, что высота барьера в

первом случае равна разности термодинамических  работ выхода, а во

втором определяется положением поверхностных уровней  на зонной

диаграмме.

Итак, в реальном выпрямляющем контакте металл-полупроводник

контактная разность потенциалов падает на зазоре (слое

окисла), а приложенное  напряжение - на запирающем слое полупро-

водника.

2.3. Неустойчивость  тока в транзисторной структуре

с контактом  металл-полупроводник.

В современной  твердотельной электронике используются в ка-

честве активных элементов два типа контактов - контакт  металл-ди-

электрик-полупроводник  с толстым ( с непрозрачным для  электоро-

нов) слоем окисла, применяемый в МДП-транзисторах, и контакт ме-

талл-полупроводник  с барьером Шоттки - в качестве выпрямляющего

устройства. В  диодах Шоттки между металлом и полупроводником  тоже

существует весьма тонкий (около 1,5 нм) слой окисла, прозрачный

для электронов. Именно в такой структуре было впервые обнаружено

явление поверхностно-барьерной  неустойчивости тока (ПБНТ).

Промежуточное положение между двумя вышеназванными типами

контактов занимает контакт металл-туннельно прозрачный окисел -

полупроводник (МТОП-контакт), толщина слоя окисла в котором сос-

тавляет 2-3 нм. Именно благодаря контакту металл-туннельно  проз-

рачный окисел - полупроводник на кафедре полупроводников  КубГУ

был создан функциональный поверхностно-барьерный генератор - ТУН-

НЕЛИСТОР [8].

На рисунке 13 изображена энергетитческая диаграмма генера-

тора. Генератор  состоит из транзисторной структуры  с поверхност-

но-барьерным  переходом и с p-n-переходом.

Принцип действия заключается в следующем: вероятность  тун-

нельного перехода электрона с некоторого акцепторного поверхност-

ного уровня, контролирующего высоту барьера  определя-

ется толщиной барьера на высоту этого уровня. С ростом подаваемо-

го на образец  напряжения, толщина барьера на высоте акцепторного

поверхностного  уровня уменьшается, т.к. происходит более  сильное

искривление энергетической зоны в приповерхностной области, и  при

некотором значении и соответствующим ему значени-

ем может наблюдаться  значительная эмиссия электронов с

поверхностных центров в зону проводимости полупроводника.

Если эффективное  время туннельного перехода туннеля с уровня

в зону проводимости полупроводника , больше, чем время  захвата

электронов на поверхностные уровни , то высота барьера  остает-

ся неизменной, через образец будет идти ток, обусловленный тун-

нельной эмиссией. Неустойчивость тока в этом случае наблюдаться

не должна. Если же эффективное время туннельного  перехода меньше

времени захвата, т.е. процесс туннельной эмиссии  с поверхностных

центров преобладает  над процессом захвата электронов на эти цент-

ры, то барьер понизится /штриховая линия на рис. 14./ вследствие

уменьшения отрицательного поверхностного заряда, а это, в свою

очередь, вызовет  более интенсивную эмиссию электронов из металла

в полупроводник. Если образец включен в цепь генератора тока, то

увеличение тока вызовет уменьшение поля в поверхностно-барьерном

переходе.

Поверхностные состояния, возвращаясь к равновесию, вновь

захватывают электроны, восстанавливая барьер. Поле в переходе

возрастает до критического, и процесс повторяется. В образце воз-

никает неустойчивость тока.

Если уровни размыты в зону, то колебания будут  наблю-

даться в некотором  интервале значений . Если же имеется  диск-

ретный ряд  значений , то ему будет соответствовать  дискретный

ряд значений критических  напряжений .

Время спада  релаксационного всплеска и сам процесс существо-

вания колебаний  существенно зависит от темпа  рекомбинации, опре-

деляемого избыточной концентрацией дырок и величиной ,

т.к. после эмиссии  электронов из металлического контакта будут

протекать два  конкурирующих процесса: повторный захват электро-

нов на поверхностные  состояния и рекомбинация в приповерхностном

слое. В случае же преобладания рекомбинации над захватом (при

значительном  увеличении ) ток скачком достигает  максимального

значения, и колебания  срываются.

Описанная выше качественная модель справедлива ввиду наличия

на поверхности  полупроводника стабилизированного тренировкой  слоя

окисла, затрудняющего  эмиссию электронов в полупроводник  и захват

их на быстрые  состояния непосредственно из металла.

Экспериментально  наблюдаемое влияние p-n-перехода на пара-

метры колебаний  можно объяснить следующим образом. При "оборван-

ной" цепи Р-области  перехода экстракции дырок из базы через по-

верхностно-барьерный  переход создает отрицательный  градиент их

концентрации  вдоль всей базы, что нарушает равновесие дырочных

потоков мужду n- и p-областями p-n-перехода и создает  неуравнове-

шанный поток  достаточно "энергичных" дырок  из p-области в базу.

P-область заряжается  отрицательно и высота потенциального  барьера

уменьшается (штрихпунктирная линия рис.13 ) Этому способствует и

падение напряжения на распределенном сопротивлении базы. Поток