Контактные явления

Физическая природа контактных явлений

Контактные явления в физике конденсированного состояния представляют собой комплекс процессов, возникающих на границе раздела двух различных материалов или областей одного материала с различными физическими параметрами. Эти процессы обусловлены различиями в электронных свойствах, концентрации носителей заряда, химическом потенциале, кристаллической структуре и энергетических зонах. При непосредственном соприкосновении тел устанавливается термодинамическое равновесие, сопровождающееся перераспределением зарядов и изменением энергетических уровней вблизи поверхности контакта.

Выравнивание уровней Ферми

Одним из фундаментальных факторов, определяющих характер контактного взаимодействия, является стремление системы к выравниванию уровней Ферми. Если два тела с различными значениями уровня Ферми EF привести в соприкосновение, электроны будут переходить из области с более высоким уровнем Ферми в область с более низким до тех пор, пока EF не станет одинаковым для обеих частей системы. Этот процесс сопровождается возникновением пространственного заряда в приповерхностных слоях и формированием потенциального барьера.

Для металлов выравнивание уровня Ферми связано с перераспределением свободных электронов, а в полупроводниках и диэлектриках дополнительно учитывается перераспределение как электронов, так и дырок, а также возможное захватывание зарядов поверхностными состояниями.

Контакт металл–металл

В случае контакта двух металлов с разными работами выхода электронов ϕ1 и ϕ2 возникает контактная разность потенциалов:

$$ \Delta V = \frac{\phi_1 - \phi_2}{e} $$

Эта разность потенциалов соответствует величине внутреннего электрического поля, возникающего в зоне контакта. Однако в металлах из-за высокой концентрации свободных электронов зона пространственного заряда чрезвычайно мала (порядка нескольких ангстрем), и процессы переноса в основном ограничиваются поверхностным слоем.

Контакт металл–полупроводник (барьер Шоттки)

При контакте металла с полупроводником с исходной концентрацией носителей n0 возникает более сложная картина. Различие в работе выхода приводит к перераспределению зарядов в приповерхностном слое полупроводника, что формирует область пространственного заряда (ОПЗ) и барьер Шоттки.

  • Для n-типа полупроводника, если работа выхода металла больше, чем работа выхода полупроводника, электроны будут уходить из полупроводника в металл, оставляя за собой положительно заряженные ионы доноров. Это создаёт барьер, препятствующий обратному движению электронов.
  • Для p-типа полупроводника аналогичный процесс приводит к инжекции дырок в металл и образованию отрицательно заряжённых ионов акцепторов в приповерхностной области.

Высота барьера ΦB определяется выражением:

ΦB = ϕm − χs

где ϕm — работа выхода металла, χs — электронное сродство полупроводника.

Омический контакт

Омическим называют контакт металл–полупроводник, при котором сопротивление перехода мало и линейно зависит от приложенного напряжения, не проявляя выпрямляющих свойств. Достижение омичности возможно, если барьер в зоне контакта практически отсутствует или туннелирование носителей через узкий барьер идёт с высокой вероятностью. Это реализуется при:

  • высоком уровне легирования полупроводника;
  • выборе металла с соответствующей работой выхода;
  • создании поверхностных модификаций, уменьшающих контактное сопротивление.

Контакт p–n типа

При соединении областей полупроводника с p- и n-типом проводимости формируется p–n переход. Разность концентраций носителей приводит к диффузии электронов из n-области в p-область и дырок в обратном направлении. В результате вблизи границы возникает область пространственного заряда, где практически отсутствуют подвижные носители, а присутствуют только заряженные ионы примесей.

Внутреннее электрическое поле, возникающее в ОПЗ, препятствует дальнейшей диффузии и устанавливает равновесие. Напряжение встроенного потенциала Vbi выражается через параметры полупроводника:

$$ V_{bi} = \frac{kT}{e} \ln \frac{N_a N_d}{n_i^2} $$

где Na и Nd — концентрации акцепторов и доноров, ni — собственная концентрация носителей, k — постоянная Больцмана, T — температура, e — заряд электрона.

Электрические свойства контактных переходов

Ток через контактный переход зависит от механизма переноса носителей:

  • Термоэлектронная эмиссия — преодоление барьера за счёт тепловой энергии;
  • Туннельный эффект — квантовомеханическое проникновение носителей через барьер;
  • Рекомбинация–генерация в области пространственного заряда.

Характерная вольт-амперная зависимость (ВАХ) для барьера Шоттки описывается уравнением:

$$ I = I_s \left( e^{\frac{eV}{kT}} - 1 \right) $$

где Is — ток насыщения, определяемый свойствами материала и высотой барьера.

Поверхностные состояния и их влияние

На границе раздела металл–полупроводник или полупроводник–полупроводник могут существовать поверхностные состояния, обусловленные обрывом кристаллической решётки, адсорбированными атомами или структурными дефектами. Эти состояния способны захватывать носители заряда и изменять распределение потенциала в приповерхностной области, что приводит к «фиксации» уровня Ферми и уменьшает влияние выбора металла на высоту барьера.

Тепловые и оптические эффекты на контактах

Контактные явления сопровождаются не только электрическими, но и тепловыми процессами. Пример — эффект Пельтье, при котором на контакте различных материалов происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока. Оптические процессы в контактной зоне проявляются, например, в фотогенерации носителей, изменяющей ток через p–n переход (фотоэлектрический эффект).

Оглавление