Kontakte zwischen Metallen und verschiedenen Halbleitermaterialien

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1 UniversitätQOsnabrück Fachbereich Physik Dr. W. Bodenberger Kontakte zwischen Metallen und verschiedenen Halbleitermaterialien Betrachtet man die Kontakstelle zweier Metallischer Leiter mit unterschiedlichen Austrittsarbeiten Φ A < Φ B, so treten physikalische Effekt auf. Was an der Kontaktstelle passiert hängt von der Differenz der beiden Austrittsarbeiten ab. Über die Kontaktstellen fließen Ausgleichströme bis die beiden Fermi-Niveaus der Materialien ausgelichen sind. Vom Metall mit der niedrigen Austritsarbeit fließen Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband des Metalls mit der höheren Austrittsarbeit. Dieser Elektronenfluß über die Kontaktstelle kommt dadurch zu Stande, daß vollbesetzte Valenzbandzustände leeren Zuständen im Leitungsband des Metalls B gegenüberstehen. Die folgenden Abbildungen veranschaulichen diesen Ausgleich. Die Austrittsarbeit Φ A heißt auf Englisch Workfunction. Das Energiediagramm nach dem in Kontakt bringen, erhält man unter der Voraussetzung, daß die Fermi-Energie in beiden Metallen gleich hoch sein müssen. Die Differenz der beiden Austrittsarbeiten ist gleich dem Kontaktpotential.

2 Das über der Kontaktschicht sich ausbildende Potential hat ein inneres elektrisches Feld zur Folge, das einen weiteren Elektronenfluß vo A nach B verhindert und einen Elektronenfluß bon B nach A fördert. Im thermischen Gleichgewicht der beiden Metalle ist der Nettostromfluß in beiden Richtungen gleich. Zur Temperaturmessung benutzt man den Seebeck-Effekt der voraussetzt, daß ein Temperaturgefälle in den beiden Metallen auftritt. Eisen-Konstantan besitzt den größten Seebeck Koeffizienten, zur Messung höchster Temperatuen werden Platin-Rhodium Kontakte benutzt. Legt man umgekehrt eine Spannungsquelle an die Kontakstelle der beiden Metalle an so spricht man vom Peltier Effekt. Bei geeigneter Polung der Spannungsquelle kann man erreichen, daß die Kontaktstelle durch den Elektronenfluß gekühlt wird. Überlegen Sie wie die Spannungsquelle in diesem Falle gepolt werden muß?

3 Metall Halbleiter Kontakte Die Austrittsarbeit bei Metallen wird mit Φ M bezeichnet, die der extrinsischen Halbleiter mit Φ S (dies gilt jeweils sowohl für n- als auch für p-halbleiter. Φ M > oder < als Φ S sind zu betrachten. Damit ergeben sich vier mögliche Kombinationen. 1. n-typ Halbleiter und Φ M < Φ S Hierbei bildet sich ein ohmscher Kontakt aus, da Elektronen sowohl vom Halbleiter zum Metall wie umgekehrt fließen können. Die Potentialdifferenz Φ S Φ M läßt sich von keiner am Kontakt angelegten Spannung beeinflussen, der Kontakt bleibt ohmisch. 2. n-typ Halbleiter und Φ M > Φ S Das folgende Bild zeigt das Energiediagramm vor dem Kontakt. Nach dem in Kontakt bringen fließen Elektronen vom n-halbleiter aus dessen Leitungsband zum Metall. Wenn die beiden Fermi-Niveaus sich angeglichen haben (Gleiche Höhe erreicht haben) sitzt auf dem Metall eine negative Oberflächenladung. Dies ist im folgenden Bild zu sehen.

4 Im Halbleiter erstreckt sich dann eine positive Raumladungszone in den Halbleiter hinein, die von den positiven Donator Ionen herrührt. Nach dem Kontakt können ELektronen vom Halbleiter zu Metall diffundieren, wenn sie genügend thermische Energie haben die Potentialschwelle Φ M Φ S =Ψzuüberwinden. Gleichzeitig gibt es jedoch einen Strom vom Metall über die etwas höhere Barriere Φ M χ. Skizzieren Sie das Diffusionspotential an der Kontaktstelle. Im thermischen Gleichgewicht sind diese beiden Ströme gleich. Ψ ist das Diffusionspotential. Der Bereich d ist die Verarmungszone (Depletion layer), sie hat ihren Namen von der Tatsache, daß hier keine freien Ladungsträger mehr vorhanden sind. Im thermischen Gleichgewicht und ohne äußere Spannung V = 0. In diesem Fall sind die inneren Ströme I F =I 0.Das heißt im äußeren Stromkreis fließt kein Strom durch ein Messgerät daher ist I = 0. Wird die Halbleiterseite an ein negatives Potential einer Spannungsquelle gelegt, so werden die Elektronen im Halbleiter energetisch angehoben. Die Potentialbarriere Ψ wird um die angelegte Spannung V verkleinert, d.h. der Strom I F wird größer als I 0, da die Barriere Φ M χ durch die äußere Spannung nicht beeinflußt wird. Die Verarmungszone wird außerdem verkleinert, da weniger unkompensierte Donator-Ionen dann vorhanden sind. Der Metall Halbleiter Übergang ist in Durchlaßrichtung gepolt (Forward Bias). I F >> I 0.Imäußeren Stromkreis ist I = I F. Die folgende Abbildung zeigt die entgegengesetzte Polung in Sperrichtung (Reverse Bias) des Metall- Halbleiter - Übergangs.

5 Polt man die äußere Spannungsquelle um, so erhält man eine Polung des Überganges in Sperrichtung (reverse bias). Am Halbleiter liegt jetzt der positive Pol der Spannungsquelle.Die Potentialbarriere Ψ wird um die angelegte äußere Spannung V erhöht. Die Verarmungszone d wird breiter d.h. es können keine Elektronen über die Kontaktstelle zum Metall fließen ( I F 0 ). Der Reststrom oder Sperrstrom I 0 wird bei kleinen Spannungen V nicht beeinflußt. Bei der Polung in Sperrichtung bildet sich ein gleichrichtender Kontakt aus (rectifying contact). Praktische Anwendung findet dieser Metall - Halbleiter - Kontakt bei der Herstellung von Spezialdioden Hot carrier- oder Schottky barrier Dioden. Dabei ist das Metall Platin und der Halbleiter n - Silizium. 3. p-typ Halbleiter Metall Φ M Φ S Nach dem in Kontakt bringen fließen Elektronen vom Halbleiter zum Metall. Das Metall wird negativ aufgeladen. Im p-halbleiter sind die Defektelektronen Majoritätsladungsträger, die sich an der Grenzfläche versammeln können. Es existiert keine Verarmungszone an der Kontaktstellen. DerKontaktistohmisch.

6 4. p-typ Halbleiter Metall Kontakt Φ M Φ S Ein anfänglicher Stromfluß erfolgt vom Metall zum Halbleiter. Diese Elektronen, die über den Kontakt (Junction) fließen werden im p-halbleiter von den Akzeptor Ionen eingefangen. Es bildet sich eine Verarmungszone (depletion layer) der Breite d aus. Es handelt sich hierbei um ein Analogon zum zweiten Fall, nur daß jetzt die Defekelektronen die Stelle der Elektronen annehmen. Wie im n-halbleiter die Elektronen die Majoritätsträger sind, so sind im p-halbleiter die Defektelektronen die Majoritätsträger. Die Minoritätsträger sind im n-halbleiter die Löcher (Defektelektronen) und im p-halbleiter die Elektronen. Fließen in dotierten Halbleitern Ströme, so gibt es stets einen Majoritätsträgerstrom und einen Minoritätsträgerstrom, da in dotierten Halbleitern jeweils beide Ladungsträger Sorten vorhanden sind. Bezeichnung der Ströme:I F Durchlaßstrom (forward current) und I 0 Reststrom, Sperrstrom (reverse current) Das folgende Bild zeigt das Energiediagramm nach dem in Kontakt bringen.

7 Nach dem in Kontakt bringen entsteht an der Kontaktstelle ein Diffusionspotential, das im thermischen Gleichgewicht Majoritätsträger- und Minoritätsträgerstrom begrenzt. Praktische Anwendungen. Die ersten eletronischen Gleichrichter waren Metall p-halbleiter Kontakte. Kupferoxydul Gleichrichter: Metall (Kupfer) p-halbleiter Kupfer(II)oxyd. Selen Gleichrichter: Metall Zinn,Kadmium,Wismut Legierung p-halbleiter Selen.