Dispozitive si Circuite Electronice

38DCE - Cap.5. CONTACTUL METAL SEMICONDUCTOR

37DCE - Cap.5. CONTACTUL METAL SEMICONDUCTOR

Cap.5. CONTACTUL METAL SEMICONDUCTOR

5.1. Generaliti

Contactul metal-semiconductor (m-s) este o structur fizic care intr n construcia tuturor dispozitivelor electronice. Principala sa funcie este de a conecta diverse regiuni semiconductoare la terminalele capsulei. n acest caz contactul trebuie s prezinte o rezisten foarte mic n ambele sensuri de polarizare; un astfel de contact se va numi contact ohmic. Contactul metal-semiconductor poate avea i conducie unilateral, atunci purtnd denumirea de contact redresor.

Obinerea funcionrii ohmice sau redresoare a contactului m-s se face prin alegerea metalului, a semiconductorului sau a gradului de impurificare.

Contactele ohmice se apropie mai mult sau mai puin de contactul ideal. Industrial, contactele ohmice pe Si se realizeaz, aproape n exclusivitate, cu aluminiu. S-a constatat experimental c Al face contact ohmic cu siliciu tip p dac rezistivitatea acestuia este sub 10-2 mdopare Na>1022 atomi/m3. n cazul Si tip n, contactul este ohmic numai la dopri puternice (Na>1025 atomi/m3) i din acest motiv, naintea depunerii Al se mrete gradul de dopare n regiunea de contact.

5.2. Contactul Metal-Semiconductor Redresor

Suprafaa semiconductorului reprezint o discontinuitate a structurii periodice din interiorul monocristalului. n plus atomii de la suprafaa semiconductorului nu mai au vecini n exterior pentru formarea legturilor covalente. Toate acestea se traduc prin apariia n banda interzis a unor nivele energetice numite stri rapide de suprafa.

Existena strilor rapide de suprafa produce modificri n regiunea adiacent, care se traduc prin apariia unor regiuni golite.

Pentru un semiconductor de tip n, electronii de conducie din apropierea suprafeei tind s umple complet strile rapide de suprafa; pe msura umplerii acestora, la suprafa se acumuleaz sarcini negative, iar n volum sarcini pozitive (ale ionilor donori). Apare astfel o regiune golit la suprafa i un cmp electric care se opune transferului de electroni ctre suprafa. Se obine o situaie de echilibru, n urma creia sunt umplute numai o parte dintre strile de suprafa.

n mod asemntor se formeaz o regiune golit la un semiconductor de tip p. Aici, electronii care ocupau deja strile rapide de suprafa trec n banda de valen, unde sunt nivelele energetice libere (echivalent cu prezena golurilor). Suprafaa semiconductorului se ncarc pozitiv, iar volumul semiconductorului, negativ. Diagrama energetic a suprafeei semiconductorului poate fi controlat prin diverse procedee tehnologice, de exemplu, prin realizarea unui strat subire de oxid.

Cel mai rspndit contact m-s este realizat cu Al depus pe siliciu tip n. La efectuarea contactului, electronii cu energie mai mare din semiconductor vor trece pe nivelele libere, de energie mai cobort, din metal; ca urmare, regiunea din metal vecin suprafeei se ncarc cu o sarcin negativ (fig. 5.1).

Prin plecarea electronilor din semiconductor rmn, n regiune vecin suprafee de contact, ioni pozitivi de impuritate donoare necompensai; aceast regiune se ncarc cu o sarcin pozitiv. La contactul metal-semiconductor apare un strat electric dublu, deci un cmp electric.

n regiunea de trecere care apare se manifest o barier de potenial care poate fi modificat prin aplicarea unei tensiuni de polarizare din exterior; contactul metal-semiconductor considerat are o comportare similar unei jonciuni pn.

La polarizarea direct (+ pe metal i pe semiconductor) crete componenta de electroni care trece din semiconductor n metal, iar la polarizarea invers, curentul net prin contact va fi determinat de curentul de electroni care trece din metal n semiconductor, care se menine la valoarea de la echilibru i are o valoare mic.

5.3. Dioda metal-semiconductor

Contactele redresoare stau la baza construciei diodelor metal-semiconductor, care pot fi: cu seleniu (n anii 30), cu oxid cupros, cu Ge, cu Si. Diodele m-s cu Si se numesc i diode Schottky, i se realizeaz ca n figura 5.2. Pe o plachet de Si n+ este crescut epitaxial un strat slab dopat de tip n, peste care se depune un strat de aliaj argint-titan (sau aluminiu), care formeaz contact redresor cu Si tip n. Pe regiunea n+ se realizeaz un contact ohmic pentru catod.

Fig. 5.2

Fig. 5.3. Simbolul diodei Schottky

Contactul m-s realizat se comport ca o jonciune pn+, curentul direct fiind determinat de electronii majoritari ce trec din semiconductor n metal. n metal electronii i uniformizeaz concentraia pe cteva straturi atomice. Injecia de goluri dinspre metal spre semiconductor este foarte slab, ntruct regiunea p aprut prin inversiune are o concentraie mic de goluri. Practic nu exist sarcini de purttori minoritari stocate n regiunile neutre i deci capacitatea de difuzie este neglijabil. Timpii de comutaie pot ajunge la 100 ps.

Cderea de tensiune direct pe o diod Schottky este de numai 0,30,5V fa de 0,60,8V la jonciunile din Si; aceast proprietate este utilizat n circuitele integrate logice rapide (tip tranzistor-tranzistor-logic TTL-Schottky) pentru evitarea saturrii tranzistoarelor bipolare.

Principalul avantaj al diodei Schottky este posibilitatea de a lucra la frecvene foarte nalte (zeci de GHz). De aceea ea este utilizat n detectoarele de frecven foarte nalt, n redresoarele de putere la frecvene foarte ridicate i n circuitele integrate TTL-Schottky.

m

n

l0

(

x

x

u

+

-

U0

Fig. 5.1