Физические основы электроники. Контакты металл-полупроводник

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
 
С.В. ДОРОГОЙ 
 
 
 
 
 
ФИЗИЧЕСКИЕ  
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ 

 
КОНТАКТЫ  
МЕТАЛЛ–ПОЛУПРОВОДНИК 
 
Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

 

УДК 621.382:53(075.8) 
         Д 691 
 

Рецензенты: 

канд. техн. наук, доц. Н.И. Филимонова 
канд. техн. наук, доц. В.М. Меренков 
 
 
 
Дорогой С.В. 
Д 691   
Физические основы электроники. Контакты металл–полупроводник: учебно-методическое пособие / С.В. Дорогой. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 50 с. 

ISBN 978-5-7782-3994-4 

Учебно-методическое пособие предназначено для проведения 
аудиторных практических занятий и самостоятельной работы по дисциплине «Физические основы электроники» для студентов II курса по 
направлениям 11.03.03 «Конструирование и технология электронных 
средств» и 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы 
связи». 
 
 
 
Работа подготовлена на кафедре конструирования и технологии  
радиоэлектронных средств и утверждена Редакционно-издательским  
советом университета в качестве учебно-методического пособия 
 
 
УДК 621.382:53(075.8) 
 
 
ISBN 978-5-7782-3994-4  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© Дорогой С.В., 2019 
© Hовосибиpский госудаpственный 
    технический унивеpситет, 2019 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Введение ................................................................................................................... 4 

1. Контакты (барьеры, переходы) металл–полупроводник .................................. 5 

2. Свойства, структура и зонные энергетические диаграммы контактов 
    металл–полупроводник ....................................................................................... 7 

3. Выпрямляющий контакт металл–полупроводник n-типа .............................. 10 

4. Выпрямляющий контакт металл–полупроводник p-типа .............................. 14 

5. Омический контакт металл–полупроводник n-типа ....................................... 16 

6. Омический контакт металл–полупроводник p-типа ....................................... 18 

7. Напряженность электрического поля, потенциал на контакте  
    металл–полупроводник, ширина ОПЗ ............................................................. 21 

8. Вольт-амперная характеристика контакта Шоттки ........................................ 29 

9. Эффект Шоттки (уменьшение барьера) ........................................................... 36 

10. Механизмы переноса заряда через контакт металл–полупроводник .......... 39 

11. Сравнение барьеров Шоттки и p–n-переходов .............................................. 41 

12. Задачи и решения ............................................................................................. 43 

Библиографический список .................................................................................. 49 

 
 
 
 
 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Во всех полупроводниковых приборах используются контакты металла и полупроводника. В пособии рассмотрена одна из тем курса «Физические основы электроники» – классическая теория образования и работы идеальных контактов металл–полупроводник, основанная на явлении термоэлектронной эмиссии. Показано, как образуются выпрямляющие и невыпрямляющие контакты с полупроводниками n- и p-типов. 
Для понимания физических процессов в контактах использованы элементы зонной теории и упрощенные зонные энергетические диаграммы. 
Дан подробный вывод уравнений для расчета физических параметров 
контактов, таких как напряженность электрического поля, потенциал, 
толщина области пространственного заряда, удельная емкость обедненной области, вольт-амперной характеристики. Проведено сравнение 
вольт-амперных характеристик диода на основе барьера Шоттки и полупроводникового диода. Представлены примеры решения задач. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

1. КОНТАКТЫ (БАРЬЕРЫ, ПЕРЕХОДЫ)  
МЕТАЛЛ–ПОЛУПРОВОДНИК 

Одними из первых полупроводниковых приборов, реально используемых в радиотехнике, были разработанные в начале ХХ в. кристаллические детекторы, в которых использовался контакт металлической 
проволочной пружины с естественными полупроводниками, такими как 
сульфид свинца (PbS), закись меди (
2
Cu O ), селен (Se), позднее их сменил кремний. Работа таких детекторов основана на зависимости электрического сопротивления контакта от полярности прикладываемого 
напряжения. 
В 1938 г. немецкий физик Вальтер Шоттки предположил, что потенциальный барьер между металлом и полупроводником создается неподвижным пространственным зарядом, а не за счет возникновения промежуточного химического соединения. В дальнейшем выпрямляющие 
контакты такого типа стали называться контактами с барьером Шоттки 
(БШ) или диодами Шоттки (ДШ). 
В 1938 г. английский физик Невилл Мотт предложил теоретическую 
модель для контактов металла к тонким слоям полупроводника. Образующийся при этом барьер получил название барьера Мотта. 
Диоды Шоттки на основе полупроводников (Si, GaAs) используются 
в источниках питания для выпрямления переменного тока, в качестве 
затвора полевого транзистора вместо управляющего p–n-перехода, в 
цифровой электронике для повышения скорости переключения биполярного транзистора, в фотодетекторах и солнечных элементах. 
Также широкое применение нашли невыпрямляющие или омические 
контакты металл-полупроводник, используемые для подключения внутренних областей полупроводниковых приборов к внешним выводам. 

В связи с тем, что электрофизические свойства металла и полупроводника существенно различаются, контакт между ними (в отличие от 
p–n-перехода) может быть выпрямляющим либо невыпрямляющим. 
Можно выделить следующие возможные варианты таких контактов: 
 выпрямляющий контакт или контакт Шоттки (КШ) с полупроводниками n- и p-типа; 
 невыпрямляющий или омический контакт с полупроводниками 
n- и p-типа. 
Тип контакта зависит, прежде всего, от соотношения работ выхода 
электронов из металла 
m
P  и полупроводника 
S
P . За начало отсчета принимается энергия электрона в вакууме 
0
E , равная нулю. В вакууме отсутствует влияние других атомов или молекул на электрон. Энергетический уровень 
0
E  считают расположенным вблизи поверхности твердого тела на удалении порядка 1000 межатомных расстояний (а не на 
Луне), когда влияние заряда зеркального отображения становится пренебрежимо малым и электрон можно считать свободным. 
Структура диода Шоттки и схема включения показана на рис. 1. 

Анод (+)
Катод (-) 

U
+

металл 2

x
0
xn

металл 1

полупроводник 
омический
контакт

неомический
контакт

ОПЗ

n+ тип
n-тип

U
+

 

Рис. 1. Диод Шоттки, схема прямого включения  
и условное обозначение 

 

2. СВОЙСТВА, СТРУКТУРА И ЗОННЫЕ  
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ  
КОНТАКТОВ МЕТАЛЛ–ПОЛУПРОВОДНИК 

Классические представления о свойствах контактирующих структур 
опираются на зонную теорию энергетического спектра твердых тел, их 
физические и термодинамические характеристики. Наглядную информацию о свойствах контактирующих материалов можно получить из 
энергетической зонной диаграммы E(x). В качестве примера на рис. 2 
показаны зонные диаграммы примесных полупроводников n- и p-типов. 
Основным правилом при построении диаграмм в состоянии термодинамического равновесия является постоянство энергетических уровней, 
отображаемых на диаграммах в виде горизонтальных линий. 
В дальнейшем оси координат, энергетические уровни 
a,
d
E
E  и 
iE  
отображать не будем, чтобы не усложнять рисунки. 
Обращаем внимание на то, что энергия электронов в разрешенных 
зонах увеличивается вверх, а энергия дырок – вниз. 
Под работой выхода понимается разность энергий между уровнем 
в вакууме 
0
E  и уровнем Ферми, по смыслу – это энергия, которую должен иметь электрон, чтобы покинуть твердое тело. В свою очередь, уровень Ферми представляет собой электрохимический потенциал, отнесенный к одной частице, или химический потенциал в присутствии 
электрического поля. По определению, химический потенциал есть работа по увеличению числа частиц в системе на единицу. 
Термин работа выхода применим только для электронов. Для дырок, являющихся нематериальными частицами, он не используется. При 
описании контакта металл–полупроводник p-типа удобно рассматривать перемещение электронов через межфазную границу, следствием 

которого будет изменение концентрации дырок в полупроводнике или 
концентрации свободных состояний в валентной зоне. Работа выхода 
электронов в полупроводнике p-типа, также как и в полупроводнике nтипа, определяется как разность энергий между уровнем вакуума и 
уровнем Ферми. 

E

n-тип
p-тип

E0=0

Ec
Ec

Ev
Ev

EFn

EFp

Ei

(в вакууме)




x

Eg

pp

np
nn

pn

Ea

Ei

Ed

Eg

Энергия электронов
Энергия дырок

Координата в кристалле

PSp

PSn

 

Рис. 2. Зонные энергетические диаграммы полупровод- 
ников n- и p-типов: 

χ – сродство к электрону, энергия, эВ; Eg – ширина запрещенной 
зоны, эВ; EC – дно зоны проводимости; EV – потолок валентной 

зоны; Ei – энергия середины запрещенной зоны 
2

c
V
i
E
E
E


;  

Ed – энергия ионизации доноров; Ea – энергия ионизации акцепторов; 
 – неподвижный ион акцепторной примеси; 
 – неподвижный ион донорной примеси; 
 – электрон, подвижный носитель заряда, на зонной диаграмме располагается в зоне проводимости; 
 – дырка, подвижный носитель заряда, на зонной диаграмме располагается в валентной зоне; np, nn – концентрации 
электронов в полупроводнике p- и n-типа; pn, pp – концентрации 
дырок в полупроводнике n- и p-типа; PSp, PSn – работа выхода из  
                             полупроводников p- и n-типа, эВ 

Концентрация носителей заряда (электронов) в металле всегда на несколько порядков выше концентрации основных носителей заряда 
(ОНЗ) в примесном полупроводнике n-типа. С точки зрения процесса 

диффузии поток электронов при физическом соприкосновении двух тел 
должен быть направлен из области с большей концентрации в область с 
меньшей концентрацией. Однако при определенных условиях, когда 
термодинамическая работа выхода из металла 
m
P  больше, чем работа 
выхода из полупроводника 
S
P , электроны могут переходить из полупроводника n-типа на свободные уровни в металле, находящиеся ниже, 
чем в полупроводнике. 
Аналогичный процесс происходит и в случае полупроводника 
p-типа. 
Классические представления о свойствах контактирующих структур 
опираются на зонную теорию энергетического спектра твердых тел, их 
физические и термодинамические характеристики. Основным правилом 
при построении диаграмм в состоянии термодинамического равновесия 
является общий уровень Ферми, отображаемый на диаграммах E(x) в 
виде горизонтальной линии. 
При контактировании металла с полупроводником объемные свойства материалов не изменяются. Изменения происходят только в приконтактной области полупроводника, где происходит обеднение или 
обогащение основными носителями заряда. Значение термодинамической работы выхода в нейтральной области полупроводника остается 
неизменным. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

3. ВЫПРЯМЛЯЮЩИЙ КОНТАКТ  
МЕТАЛЛ–ПОЛУПРОВОДНИК n-ТИПА 

Рассмотрим подробно, как образуется такой контакт. Этот тип контакта может быть реализован, если уровень Ферми в металле 
Fm
E
 лежит 

ниже уровня Ферми полупроводника (
Fm
Fn
E
E

) или работа выхода из 

металла больше работы выхода полупроводника n-типа (
m
Sn
P
P

). 
В этом случае электроны, зоны проводимости полупроводника, находятся на более высоких энергетических уровнях, чем электроны в металле. Поэтому электроны стремятся перейти из полупроводника на 
свободные уровни в металле, находящиеся ниже 
Fn
E
, но выше 
Fm
E
. Таким образом, выполняется один из критериев протекания самопроизвольных процессов – стремление системы уменьшить свою внутреннюю энергию. 
На рис. 3 показано образование выпрямляющего контакта металл–
полупроводник n-типа. 
На рис. 3 не отображен уровень донорной примеси, расположенный 
между уровнем Ферми и дном зоны проводимости, и используется гипотеза обеднения – практическое отсутствие носителей заряда в ОПЗ 
(
d
n
N

 при 0
n
x
x


). В металле энергетические уровни ниже 
Fm
E
 

полностью заняты, а выше 
Fm
E
 – свободны. Работа выхода электронов 

из металла 
m
P , полупроводника n-типа 
Sn
P , полупроводника p-типа 
Sp
P
 

отсчитывается от соответствующего уровня Ферми до нулевого уровня 
в вакууме, эВ: 

 
0
m
Fm
P
E
E


,  
(1) 

0
Sn
Fn
P
E
E


,  
(2) 

 
0
Sp
Fp
P
E
E


. 
(3) 

E0=0 (в вакууме)

EC

EFm

EV

EFn

χ

Pm
PSn

E0
E0

Eg

металл
n-тип
 

а 

Pm

qΦbn
EC
EFn

χ

E0

EV

PSn

Eg

qU0

x
xn
0

E0

металл
n-тип
ОПЗ

ϕвнутр 

 

б 

Рис. 3. Зонные энергетические диаграммы образования выпрямляющего  
контакта металл–полупроводник n-типа: 

а – до физического соприкосновения; б – после физического соприкосновения и 
установления термодинамического равновесия: Pm, PSn – работа выхода из металла и полупроводника n-типа; χ – сродство к электрону; EFm, EFn – уровень 
Ферми в металле и полупроводнике n-типа; EC – дно зоны проводимости; 
EV – потолок валентной зоны; Eg – ширина запрещенной зоны; qΦbn, qU0 – потенциальные барьеры для электронов (все величины имеют размерность энергии, 
выраженной в электрон-вольтах); xn – ширина обедненной области, φвнутр – 
напряженность внутреннего электрического поля; 
 – ионизированный донор,  
                       – электрон (основной носитель заряда (ОНС)) 

В отличие от металлов работа выхода из полупроводника зависит от 
концентрации, типа примеси, температуры, и поэтому не является константой. 
В результате перехода электронов из полупроводника n-типа в металл тонкий поверхностный слой металла заряжается отрицательно,  
а обедненная область пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника 
( 0
n
x
x


), приобретает положительный заряд за счет нескомпенсированных ионизированных доноров. Так как в ОПЗ практически нет носителей заряда, то ее электрическое сопротивление становится большим 
по сравнению с остальной частью полупроводника (
n
x
x

). Процесс  
перехода электронов сопровождается формированием внутреннего