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Metall-Halbleiter-Übergänge3.1       Schottky-Kontakt (Sperrschicht-Kontakt)3.1.1      Übergang von n-Halbleiter zu Metall...
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Metall-Halbleiter-Übergänge3.2.3   Ohmscher Kontakt durch hochdotierte Halbleiterzwischenschicht  Ohmsche Kontakte lassen ...
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03 metall-halbleiter-uebergang yes

  1. 1. Metall-Halbleiter-Übergänge3 Metall-Halbleiter-Übergänge Halbleiterbauelemente beinhalten immer auch Übergänge vom Halbleiterkristall zu metallischen Anschlüssen. In der Abbildung 3-1 sind die Energiebänder-Schemata für ein Metall und einen nicht mit dem Metall verbundenen n-dotierten Halbleiter dargestellt. W Metall n-Halbleiter Abbildung 3-1 Wvac Getrennte Energie- WH Wχ Bänder-Schemata für WM Metall und n-Halb- WC leiter (WM > WH) WFH WFM WV Gemeinsame Bezugsenergie ist die für beide Energiebänder-Schemata gleiche Vakuum- Energie Wvac (siehe Abschnitt 1.3.6.1). Der Abstand des Ferminiveaus WFM zur Vakuumenergie Wvac ist die Austrittsarbeit WM des Metalles. Die Austrittsarbeit ist eine für das jeweilige Metall charakteristische Materialkonstante, die allerdings von der Oberflächenbeschaffenheit mehr oder weniger stark beeinflusst werden kann. Metall Al Au Ag Pt Th Cu WM / eV 3,0 – 4,2 4,8 – 5,4 4,05 - 4,7 5,3 - 6,3 3,5 4,3 – 4,5 Eine für jeden Halbleiter charakteristische Materialkonstante ist die sog. Elektronenaffinität Wχ. Dies ist die Energiedifferenz zwischen Leitbandkante WC und Vakuumenergie. Halbleiter Ge Si GaAs GaP SiO2 Wχ / eV 4,0 4,05 4,07 4,3 0,95 In Analogie zur Austrittsarbeit des Metalles kann die Energiedifferenz zwischen dem Fermi- Niveau WFH des Halbleiters und der Vakuumenergie als Austrittsarbeit WH des Halbleiters definiert werden. Allerdings halten sich im Halbleiter keine Ladungsträger auf dem Fermi- Niveau auf. Außerdem ist die Lage des Ferminiveaus WFH und damit die Differenz zur Vakuumenergie von der Dotierung des Halbleiters abhängig und keine Materialkonstante. Stellt man nun einen Kontakt zwischen einem Metall und einem Halbleiter mit unterschied- lichen Austrittsarbeiten (WM ≠ WH) her, so findet eine Diffusion von Ladungsträgern über den Metall-Halbleiter-Übergang hinweg statt, und zwar so gerichtet und solange, bis sich die Ferminiveaus von Metall und Halbleiter angeglichen haben (→ thermodynamisches Gleichgewicht; siehe Abschnitte 2.1.1 und 2.1.5). Diese Metall-Halbleiter-Übergänge können Sperrschichtverhalten (Schottky-Kontakt) oder ohmsche Charakteristik zeigen. Welches Verhalten sich jeweils einstellt hängt von der Dotierung des Halbleiters sowie von der Austrittsarbeit in Metall und Halbleiter ab.38
  2. 2. Metall-Halbleiter-Übergänge3.1 Schottky-Kontakt (Sperrschicht-Kontakt)3.1.1 Übergang von n-Halbleiter zu Metall mit größerer Austrittsarbeit (WM > WH)3.1.1.1 Übergang ohne äußere Spannung Bringt man einen n-Halbleiter mit einem Metall größerer Austrittsarbeit in Kontakt, so ergibt sich das in Abbildung 3-2 dargestellte Energieschema. Da die Austrittsarbeit des Halbleiters geringer ist als die des Metalls, sind Elektronen aus dem Halbleiter in das Metall diffundiert. Der Halbleiter lädt sich dabei um die Kontaktspannung Uk positiv gegenüber dem Metall auf. Diese Spannung verhindert eine weitere Diffusion von Elektronen vom Halbleiter ins Metall. Die Energieniveaus im Halbleiter sinken um (WM - WH) = e⋅Uk ab; damit haben sich die Ferminiveaus auf beiden Seiten der Grenzfläche angeglichen (thermodynamisches Gleichgewicht). Das Vakuumniveau Wvac kann sich an der Grenze zwischen Halbleiter und Metall nicht sprunghaft ändern. Weiterhin sind Elektronenaffinität und Bandabstand im Halbleiter überall gleich groß. Bei der Angleichung der Ferminiveaus entsteht aus diesem Grunde im Bereich des Metall-Halbleiter-Überganges (insbesondere im Halbleiter) eine deutliche Verbiegung der Bandkanten. Metall n-Halbleiter Abbildung 3-2 Wvac Energiebänderschema von WM Wχ WBn e⋅Uk WH n-Halbleiter mit Metallkontakt (WM > WH) WC ohne äußere Spannung WF WV Wegen der Abwanderung von Elektronen entsteht im Halbleiter eine Verarmungszone mit nicht kompensierten positiven Raumladungen, im Metall entsteht eine Elektronen- anreicherung geringer Ausdehnung. ρ Positive Raumladung Abbildung 3-3 x Ladungsverteilung am Metall-Halbleiter-Übergang Elektronen- anreicherung Die freien Elektronen in Metall und Halbleiter nehmen vorzugsweise die niedrigsten verfügbaren Energieniveaus ein. Die meisten freien Elektronen im Metall halten sich daher unterhalb oder knapp oberhalb des Fermi-Niveaus WF auf. Die Elektronen im Leitungsband des Halbleiters finden sich vorzugsweise in der Nähe der Leitbandkante WC. Nach Angleichung der Ferminiveaus ist ohne äußere Spannung kein weiterer Übergang von Ladungsträgern über die Grenzfläche hinweg möglich. 39
  3. 3. Metall-Halbleiter-Übergänge Einem Übergang von Elektronen vom Metall in den Halbleiter steht die sog. Schottky- Barriere WBn0 entgegen. Die Höhe dieser Energiebarriere beträgt WBn0 = WM - Wχ. Einem Übergang von Leitungselektronen aus dem Halbleiter in das Metall steht ohne äußere Spannung die Energieschwelle der Größe e⋅Uk entgegen.3.1.1.2 Sperrpolung Durch Anlegen einer positiven Spannung UR zwischen n-Halbleiter und Metall werden die Leitungselektronen (Majoritätsträger) im Halbleiter vom Übergang weggezogen. Die Energiebänder des Halbleiters sinken um e⋅UR gegenüber dem Metall ab. Die Energieschwelle e⋅Uk für Leitungselektronen des Halbleiters vergrößert sich damit auf e⋅(Uk+UR). Ein Elektronenstrom vom Leitungsband des Halbleiters ins Metall ist daher nicht möglich. Metall n-Halbleiter Abbildung 3-4 Sperrpolung Kein Elektronenstrom vom Halbleiter zum Metall wegen Wvac e⋅Uk vergrößerte Energiebarriere e⋅(Uk+UR) WF e⋅UR WC WV Die Schottky-Barriere verhindert auch einen Elektronenstrom vom Metall in den Halbleiter. Metall n-Halbleiter Abbildung 3-5 Sperrpolung Schottky-Barriere verhindert Wvac Elektronenstrom vom Metall zum Halbleiter WF WC WV Nur die energiereichsten Elektronen sind in der Lage die Schottky-Barriere zu überwinden und führen zu einem geringen Sperrstrom. Wegen Oberflächenzuständen (Oberflächen- ladungen) und komplizierten Einflüssen der Sperrspannung (Schottkyeffekt) weicht die tatsächliche Schottkybarriere WBn von dem theoretischen Wert WBn0 ab und sinkt mit wachsender Sperrspannung. Der Sperrstrom nimmt daher mit wachsender Sperrspannung zu.3.1.1.3 Flusspolung Durch Anlegen einer negativen Spannung UF = - UF wird die Energieschwelle zwischen n- Halbleiter und Metall reduziert. Sie beträgt dann e⋅(Uk+UF). Es tritt ein Elektronenstrom vom Halbleiter ins Metall auf, der mit wachsender Spannung exponentiell zunimmt.40
  4. 4. Metall-Halbleiter-Übergänge Metall n-Halbleiter Abbildung 3-6 Flusspolung. Wvac Elektronenstrom vom Halbleiter zum Metall wegen reduzierter Energiebarriere WC WF WV3.1.2 Übergang von p-Halbleiter zu Metall mit geringerer Austrittsarbeit (WM < WH)3.1.2.1 Übergang ohne äußere Spannung Metall p-Halbleiter Wvac Abbildung 3-7 Getrennte WH Wχ Energiebänderschemata von WM WC Metall und p-Halbleiter mit WFM WM < WH WFH WV Bringt man einen p-Halbleiter mit einem Metall kleinerer Austrittsarbeit in Kontakt, so ergibt sich das in Abbildung 3-8 dargestellte Energieschema. Da die Austrittsarbeit des Metalls geringer ist als die des Halbleiters, werden Löcher an der Grenze des Halbleiters durch Elektronen aus dem Metall aufgefüllt. Wegen des Verschwindens von Löchern entsteht im Halbleiter eine Verarmungszone mit nicht kompensierten negativen Raumladungen, im Metall eine Elektronenverarmung geringer Ausdehnung. Der Halbleiter lädt sich um die Kontaktspannung Uk negativ gegenüber dem Metall auf. Die Energieniveaus im Halbleiter heben sich um (WM - WH) = e⋅Uk an; damit haben sich die Ferminiveaus angeglichen (thermodynamisches Gleichgewicht). Metall p-Halbleiter Wvac Abbildung 3-8 Energiebänderschema von Wχ WH p-Halbleiter mit Metallkontakt WM WC (WM < WH) WBn ohne äußere Spannung WF WV e⋅Uk Die Angleichung der Ferminiveaus von Metall und Halbleiter führt zu einer Bandverbiegung (vorzugsweise) im Halbleiter. 41
  5. 5. Metall-Halbleiter-Übergänge Nach Angleichung der Ferminiveaus ist ohne äußere Spannung kein weiterer Übergang von Ladungsträgern über die Grenzfläche hinweg möglich. Einem Übergang von Löchern aus dem Halbleiter in das Metall steht ohne äußere Spannung die Energieschwelle der Größe e⋅Uk entgegen. Einem Übergang von Elektronen vom Metall in das Leitungsband des Halbleiters steht eine Energieschwelle der Größe (WBn + e⋅Uk) entgegen. Die Höhe der Schottky-Barriere beträgt WBn = WM - Wχ.3.1.2.2 Sperrpolung Durch Anlegen einer negativen Spannung UR zwischen p-Halbleiter und Metall werden die Löcher (Majoritätsträger) im Halbleiter vom Übergang weggezogen. Die Energiebänder des Halbleiters werden um e⋅UR gegenüber dem Metall angehoben. Die Energieschwelle für Löcher des Halbleiters vergrößert sich damit auf e⋅(Uk+UR). Ein Löcherstrom vom Halbleiter ins Metall ist daher nicht möglich. Metall p-Halbleiter Wvac Abbildung 3-9 Sperrpolung Kein Löcherstrom vom WC Halbleiter zum Metall wegen vergrößerter Energiebarriere e⋅UR WF WV e⋅Uk Die Energieschwelle für Elektronen des Metalls zum Leitungsband des Halbleiters vergrößert sich ebenfalls um e⋅UR. Damit ist auch ein Elektronenstrom vom Metall in den Halbleiter nicht möglich. Metall p-Halbleiter Wvac Abbildung 3-10 Sperrpolung Kein Elektronenstrom vom Metall zum Halbleiter wegen WC vergrößerte Energiebarriere WV WF Bei einer negativen Spannung des p-Halbleiters gegenüber dem Metall kann daher (außer einem kleinen Sperrstrom) kein Strom fließen (→ Sperrpolung).42
  6. 6. Metall-Halbleiter-Übergänge3.1.2.3 Flusspolung Durch Anlegen einer positiven Spannung UF wird die Energieschwelle für Löcher zwischen p-Halbleiter und Metall reduziert. Sie beträgt dann e⋅(Uk-UF). Es tritt ein Löcherstrom vom Halbleiter ins Metall auf (Die Löcher wandern im Halbleiter zum Metall und rekombinieren dort mit Elektronen). Der Löcherstrom nimmt mit wachsender Spannung exponentiell zu. Metall p-Halbleiter Abbildung 3-11 Flusspolung . Wvac Löcherstrom vom Halbleiter zum Metall wegen reduzierter Energiebarriere WC WF WV3.1.3 Eigenschaften des Schottky-Kontakts Kennlinie Wie beim pn-Übergang folgt die Kennlinie des Schottky-Überganges der Gleichung U I = I S ⋅ (exp − 1) UT Im Gegensatz zum pn-Übergang wird der Sättigungsstrom IS beim Schottky-Übergang aus- schließlich von Majoritätsträgern bestimmt. Dies hat vielfache Auswirkungen. Da kaum Hochinjektionserscheinungen (siehe Abschnitt 2.2.6.1) auftreten, folgt die Kennlinie des Schottkyüberganges der o.g. theoretischen Beziehung über mehrere Größenordnungen des Stromes. Der Sättigungsstrom IS ist beim Schottky-Übergang viel größer als beim pn-Übergang. Durchlassspannung Wegen des größeren Sättigungsstromes IS ist die Durchlassspannung eines Schottky- Überganges deutlich niedriger als beim pn-Übergang. Sperrstrom Der Sperrstrom ist deutlich größer als beim pn-Übergang. Wegen der Spannungsabhängigkeit der Schottky-Barriere WBn (siehe Abschnitt 3.1.1.2) nimmt der Sperrstrom mit wachsender Sperrspannung zu. Durchbruchspannung Die Durchbruchspannungen von Schottky-Übergängen sind niedriger als bei vergleichbaren pn-Übergängen. Temperaturverhalten Der Temperaturdurchgriff im Flussbetrieb ist geringer als beim pn-Übergang. Bei T ≈ 300 K beträgt er: Dϑ ≈ -1,2 mV/K Dynamische Eigenschaften Da langsame Minoritätsträgervorgänge keine Bedeutung haben, sind die dynamischen Eigenschaften (Schaltzeiten etc.) z.T. um Größenordnungen besser als beim pn-Übergang. 43
  7. 7. Metall-Halbleiter-Übergänge3.2 Ohmscher Kontakt3.2.1 Übergang von n-Halbleiter zu Metall mit kleinerer Austrittsarbeit (WM < WH) Metall n-Halbleiter Abbildung 3-12 Wvac Getrennte Energiebänder- WH Wχ Schemata für n-Halbleiter WM und Metall geringerer Austrittsarbeit WC WFM WFH (WM < WH) WV Bringt man einen n-Halbleiter mit einem Metall geringerer Austrittsarbeit in Kontakt, so diffundieren Elektronen vom Metall in den Halbleiter, bis sich die Ferminiveaus angeglichen haben. Es tritt eine Elektronenanreicherung auf der Halbleiterseite der Grenzfläche auf. (Beachte: Keine an freien Ladungsträgern verarmte Raumladungszone sondern Ladungsträ- geranreicherung). Der Halbleiter lädt sich negativ um Uk gegenüber dem Metall auf. Die Spannung Uk verhindert eine weitere Diffusion von Elektronen vom Metall in den Halbleiter. Es bildet sich keine Schottkybarriere WBn oder nur eine solche von minimaler Höhe heraus (WM - Wχ ist sehr klein oder negativ). Metall n-Halbleiter Wvac WH Wχ Abbildung 3-13 WM Energiebänderschema von n-Halbleiter mit WC WF Metallkontakt (WM < WH) ohne äußere Spannung WV Legt man an diesen Übergang eine äußere Spannung, so fließt -unabhängig von der Polarität dieser Spannung- in jedem Falle ein Elektronenstrom. Liegt der Minuspol der Spannung am Halbleiter, so fließen die Elektronen zum Metall. Sie müssen hierzu keine Energieschwelle überwinden. Da keine Verarmungszone (Raumladungszone mit fehlenden freien Ladungsträgern) vorliegt, fällt die (geringe) äußere Spannung über den Bahnwiderständen im Halbleiter ab(1). Dies macht sich in den folgenden Abbildungen durch ein (stark vergrößert dargestelltes) Gefälle der Bandkanten im Halbleiter bemerkbar. (1) Dieser Spannungsabfall am ohmschen Widerstand des Halbleiterkristalls tritt auch in Halbleitern mit pn- oder Schottky-Übergängen auf. Im Verhältnis zum Spannungsabfall an den vorhandenen Raumladungszonen fällt der Spannungsabfall an den Bahnwiderständen dort aber nicht ins Gewicht.44
  8. 8. Metall-Halbleiter-Übergänge Metall n-Halbleiter Wvac Abbildung 3-14 Ohmscher Kontakt mit n-Halbleiter - WC Minuspol am Halbleiter WF WV Liegt der Minuspol am Metall, so wird die interne Spannung Uk abgeschwächt und Elektronen strömen vom Metall in den Halbleiter. Die niedrige oder gar fehlende Schottkybarriere stellt kein Hindernis dar. Metall n-Halbleiter Wvac Abbildung 3-15 Ohmscher Kontakt mit n-Halbleiter - Pluspol am Halbleiter WF WC WV3.2.2 Übergang von p-Halbleiter zu Metall mit größerer Austrittsarbeit (WM > WH) Metall p-Halbleiter Abbildung 3-16 Wvac Getrennte Energiebänder- WH Wχ Schemata für p-Halbleiter und Metall höherer Austritts- WM WC arbeit (WM > WH) WFH WFM WV Bringt man einen p-Halbleiter mit einem Metall größerer Austrittsarbeit in Kontakt, so treten Valenzelektronen des Halbleiters in das Metall über. Anders ausgedrückt diffundieren Löcher aus dem Metall in den Halbleiter und reichern sich dort an. (Beachte: Keine an freien Ladungsträgern verarmte Raumladungszone sondern Ladungsträgeranreicherung). Dies geschieht solange, bis die sich aufbauende Spannung Uk eine weitere Diffusion beendet und sich die Ferminiveaus angeglichen haben. 45
  9. 9. Metall-Halbleiter-Übergänge Metall p-Halbleiter Wvac Abbildung 3-17 Energiebänderschema von WH Wχ WM p-Halbleiter mit Metallkontakt (WM > WH) WC ohne äußere Spannung WF WV Legt man an diesen Übergang eine äußere Spannung, so fließt -unabhängig von der Polarität dieser Spannung- in jedem Falle ein Löcherstrom. Liegt der Pluspol der Spannung am Halbleiter, so fließen die Löcher vom Halbleiter zum Metall. Sie müssen hierzu keine Energieschwelle überwinden. Metall p-Halbleiter Abbildung 3-18 Ohmscher Kontakt mit Wvac p-Halbleiter Pluspol am Halbleiter WC WF WV Liegt der Pluspol am Metall, so wird die interne Spannung Uk abgeschwächt und Löcher strömen vom Metall in den Halbleiter (Valenzelektronen aus dem Halbleiter treten in das Metall über). Metall p-Halbleiter Wvac Abbildung 3-19 WC Ohmscher Kontakt mit p-Halbleiter Pluspol am Metall WV WF46
  10. 10. Metall-Halbleiter-Übergänge3.2.3 Ohmscher Kontakt durch hochdotierte Halbleiterzwischenschicht Ohmsche Kontakte lassen sich auch durch eine sehr hochdotierte Halbleiterzwischenschicht unter dem Metallkontakt erreichen. Insbesondere bei n-leitenden Halbleitern wird dieser Weg vorzugsweise beschritten. Die Dotierung der Zwischenschicht wird so hoch gewählt (deutlich > 3⋅1019 cm-3), dass das Ferminiveau im Leitungsband des Halbleiters liegt („entarteter“ Halbleiter). n-Halbleiter W Metall Wvac - n Abbildung 3-20 + Getrennte Energiebänder- n WC schemata für Metall und WFH n-Halbleiter mit hoch- dotierter Oberflächenschicht WFM WV Bringt man eine Metallisierung auf den Halbleiter auf, so bildet sich wegen der hohen Dotierung eine sehr dünne Raumladungszone zwischen Metall und Halbleiter. Diese dünne Schicht kann von Elektronen in beiden Richtungen durchtunnelt werden. Trotz einer evtl. hohen Schottkybarriere zeigt der Metall-Halbleiter-Übergang rein ohmsches Verhalten. Metall n-Halbleiter Abbildung 3-21 Ohmscher Kontakt durch Wvac - Tunneleffekt n Tunnelstrom + n WC WF WV 47
  11. 11. Metall-Halbleiter-Übergänge3.3 Übungsaufgaben zu Metall-Halbleiter-ÜbergängenAufgabe 3-1: Austrittsarbeit, Elektronenaffinität (a) Was versteht man unter der Vacuumenergie ? (b) Was versteht man unter der Austrittsarbeit von Metallen und von Halbleitern ? (c) Was versteht man unter der Elektronenaffinität bei Halbleitern ?Aufgabe 3-2: Schottkykontakte (a) Unter welchen Voraussetzungen entsteht ein Schottkykontakt bei n-dotiertem Silizium ? (b) Unter welchen Voraussetzungen entsteht ein Schottkykontakt bei p-dotiertem Silizium ? (c) Was versteht man unter der Schottky-Barriere ? (d) Warum fließt bei Sperrpolung kein nennenswerter Strom durch den Schottkykontakt ? (e) Wie kommt ein Strom bei Flußpolung zustande ? (f) Ist der Sperrstrom am Schottky-Kontakt ein Majoritätsträger- oder ein Minoritätsträgerstrom ?Aufgabe 3-3: Ohmscher Kontakt (a) Unter welchen Voraussetzungen entsteht ein ohmscher Kontakt bei n-dotiertem Silizium ? (b) Unter welchen Voraussetzungen entsteht ein ohmscher Kontakt bei p-dotiertem Silizium ? (c) Erkläre den Stromfluss in beiden Richtungen am ohmschen Kontakt. (d) Was versteht man unter einem „entarteten Halbleiter“ ? Welche Rolle spielt er für ohmsche Kontakte ?48

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