10.8 : Metall-Halbleiter-Übergänge

Der Kontakt von Metall und Halbleiter kann zur Bildung eines Übergangs mit Schottky- oder Ohm'schem Verhalten führen.

Schottky-Barrieren

Schottky-Barrieren entstehen, wenn ein Metall mit einer Austrittsarbeit (Φ_m) einen Halbleiter mit einer anderen Austrittsarbeit (Φ_s) berührt. Zunächst werden Elektronen übertragen, bis sich die Fermi-Niveaus des Metalls und des Halbleiters im Gleichgewicht befinden. Wenn beispielsweise Φ_m > Φ_s ist, ist das Fermi-Niveau des Halbleiters höher als das des Metalls vor dem Kontakt. Das elektrostatische Potential des Halbleiters muss erhöht werden, um die Fermi-Niveaus anzugleichen, was zu einem Verarmungsbereich führt, in dem positive Ladungen von nicht kompensierten Donorionen die negative Ladung des Metalls ausgleichen. Die Verarmungsbreite im Halbleiter kann ähnlich wie bei p-n-Übergängen berechnet werden.

Das Gleichgewichtskontaktpotential (V_o) verhindert eine weitere Elektronendiffusion aus dem Leitungsband des Halbleiters in das Metall. Dieses Potenzial ist die Differenz der Austrittsarbeitspotenziale (Φ_m - Φ_s). Die Potenzialbarrierehöhe (Φ_B) für die Elektroneninjektion vom Metall in das Halbleiterleitungsband ergibt sich aus Φ_m - χ, wobei χ die Elektronenaffinität ist.

Ohmsche Kontakte

In vielen Anwendungen, wie z. B. integrierten Schaltkreisen, ist es entscheidend, ohmsche Metall-Halbleiter-Kontakte mit einer linearen I-V-Kennlinie in beiden Vorspannungsrichtungen zu haben. Ohmsche Kontakte werden gebildet, wenn die im Halbleiter induzierte Ladung zur Ausrichtung der Fermi-Niveaus durch Mehrheitsträger bereitgestellt wird. Beispielsweise werden in einem n-Typ-Halbleiter, bei dem Φ_m < Φ_s, Elektronen vom Metall zum Halbleiter übertragen, um die Fermi-Niveaus auszurichten, wodurch die Elektronenenergien des Halbleiters erhöht werden. Dies führt zu einer kleinen Barriere für den Elektronenfluss, die leicht durch eine kleine Spannung überwunden werden kann. In ähnlicher Weise wird bei p-Typ-Halbleitern, bei denen Φ_m > Φ_s, der Lochfluss über die Verbindung erleichtert, wodurch ein minimaler Widerstand und keine Signalgleichrichtung gewährleistet werden.