План:

1.Напівпровідник у зовнішньому електричному полі.

2. Робота виходу.

3.Контакт металЇ метал. Контактна різниця потенціалів.

4. Контакт метал Ї напівпровідник.

5.Випрямлення на контакті метал- напівпровідник.

6.Діодна теорія випрямлення.

1.Напівпровідник у зовнішньому електричному полі

В основі контактних явищ є фізичні процеси, що протікають в напівпровіднику під дією електричного поля, яке виникає на контакті. Для розуміння цих явищ слід знати властивості напівпровідника, що знаходиться у зовнішньому електричному полі. Тому ми розглянемо властивості електронного напівпровідника, внесеного в однорідне електричне поле конденсатора (рис.1.1)

В напівпровіднику при відсутності зовнішнього електричного поля об’ємний заряд рівний нулю. Коли є зовнішнє електричне поле, то в напівпровіднику пройде перерозподіл носіїв заряду, в результаті чого в ньому з’явиться об’ємний заряд, густиною , та електричне поле . Зміна розподілу концентрації носіїв заряду, що обумовлює появу об’ємного заряду, матиме місце в області, що прилягає до поверхні напівпровідника. Об’ємний заряд екрануватиме зовнішнє електричне поле, тому воно проникне тільки в приповерхневий шар напівпровідника.

При такому підключенні зовнішнього джерела живлення, як це зображено на рис.1.1, в приповерхневій області буде збільшена концентрація електронів (рис.9.2,а) і, отже, виникає від’ємний об’ємний заряд (рис.9.2,б). Надлишкова концентрація електронів, а отже, і об’ємний заряд будуть зменшуватися зі збільшенням відстані від поверхні в глибину напівпровідника. Від’ємний об’ємний заряд проходить електричне поле, напруженість якого буде максимальна на поверхні напівпровідника (рис.1.2,в). Це електричне поле змінить потенціальну енергію електронів (рис.1.2,г) на величину, рівну , де Ї електростатичний потенціал контактного поля (рис.1.2,д). Отже, електричне поле визве викривлення зон енергії напівпровідника таким чином, що

(1.1)

При цьому зміщення зазнають всі рівні енергії, в тім числі і рівні домішок, що лежать в забороненій зоні.

Оскільки напівпровідник знаходиться в стані термодинамічної рівноваги, то положення рівня Фермі постійне, тому відстань між рівнями Фермі і дозволеними зонами енергії зміниться. Якщо ця відстань без поля була:

і (1.2)

то при наявності поля воно буде:

і . (1.3)

Із рівняння (1.3) і (1.2) слідує, що якщо відстань між і F зменшується на величину, то між F і збільшується на ту ж величину.

Рис.1.2 Зміна концентрації вільних електронів (а), об’ємного заряду (б), напруженості поля (в), потенціальної енергії електронів (г), потенціалу поля (д), і викривлення зон донорного напівпровідника (е) у зовнішньому електричному полі | Рис.1.3 Концентрація вільних електронів (а), густина об’ємного заряду (б), напруженість електричного поля (в), потенціальна енергія електронів (г), потенціал поля (д), і положення зон донорного напівпровідника (е) при зміні напрямку зовнішнього електричного поля

Зміна відстані між і зонами енергії має призвести до зміни розподілу електронів по рівнях, в розглядуваному випадку, як це зображено на рис.1.2,е, далеко від поверхні напівпровідник володіє електронною електропровідністю, не вироджений, і на рівнях донорної домішки є електрони(оскільки рівень Фермі лежить вище рівня домішки), а в приповерхневій області напівпровідник, залишаючись електронним, стає виродженим. Тут рівень Фермі лежить в зоні провідності.

При зміні напрямку прикладеного поля в приповерхневій області електронного напівпровідника концентрація електронів буде менша, а дірок більша, ніж в об’ємі напівпровідника(рис.1.3,а), а об’ємний заряд (рис.1.3,б) і зміна потенціальної енергії(рис.1.3,г) за знаком будуть додатні. В даному випадку, як це зображено на рис.1.3,е, в приповерхневій області пройшла навіть зміна типу основних носіїв зарядуЇ напівпровідник з електронного став дірковим, тобто виник інверсний шар. У такого напівпровідника на деякій відстані від поверхні буде шар з власною електропровідністю чи і-шар з рівнем Фермі, що лежить в середині забороненої зони. Ця область напівпровідника, розміщена біля і-шару, в якій міняється тип електропровідності, називається фізичним p-n переходом. Він зникає при знятті зовнішнього електричного поля.

Розгляд впливу зовнішнього електричного поля проведемо для одновимірного невиродженого напівпровідника -типу, енергетична схема якого представлена на рис.1.3,е. Як відомо, напруженість електричного поля пов’язана з об’ємним зарядом рівнянням Пуассона

(1.4)

Якщо напруженість поля виразити через градієнт потенціалу ,то рівняння Пуассона матиме вигляд:

. (1.5)

Хай концентрація електронів в об’ємі напівпровідника рівна , а в його приповерхневій області. Оскільки напівпровідник невироджений, то

(1.6)

В при поверхневому шарі об’ємний заряд визначається додатними іонами донорної домішки і вільними електронами. Будемо вважати, що донорна домішка повністю іонізована, тобто . Для такого напівпровідника об’ємний заряд в при поверхневому шарі буде рівний:

Обмежимося випадком малого викривлення зон під дією поля, тобто коли . Розкладаючи вираз в ряд і обмежуючись першим членом розкладу, на основі співвідношення (1.7) будемо мати:

(1.8)

Позначимо , тоді рівняння (1.5) прийме вигляд:

. (1.9)

Це рівняння має розв’язок

. (1.10)

Так як при , то , а в точці і , тому в приповерхневій області потенціал

(1.11)

напруженість поля

(1.12)

потенціальна енергія електронів

(1.13)

а густина об’ємного заряду на поверхні буде рівна:

. (1.14)

Таким чином, при внесенні напівпровідника в електричне поле в приповерхневій області його проходять викривлення зон енергії і зміна концентрації електронів і дірок. При зони зміщуються вгору і збільшується концентрація дірок(рис.1.3,е). В цім випадку в напівпровідника n-типу при поверхневий шар збагачується неосновними носіями заряду, а у p- типуЇ основними носіями заряду. При зони зміщуються вниз(рис.1.2,е) і збільшується концентрація електронів, тобто у напівпровідника n- типу має місце збагачення основними носіями заряду, а у p- типуЇ збагачення неосновними носіями заряду.

В формулах (1.10) Ї (1.13) Ї дебаєвська довжина екранування. Отже, Ї це та відстань, на яку напруженість електричного поля в речовині зменшується в раза. Для металу, в якого і , при кімнатній температурі дебаєвська довжина екранування складає приблизно. В чистий германій електричне