EFECTOS DE CONTACTO EN SEMICONDUCTORES

CAPÍTULO 8

EFECTOS DE CONTACTO EN SEMICONDUCTORES

8-1. Semiconductor en un campo eléctrico externo

Un semiconductor sin campo eléctrico externo produce una carga volumétrica nula, mientras que al aplicar un campo eléctrico externo se produce una redistribución de portadores de carga y aparece una carga volumétrica y el campo eléctrico. La variación de la distribución de la concentración de portadores ocurre en la región contigua a la superficie del conductor.

En un semiconductor tipo N, se produce una concentración elevada de electrones, por lo tanto, una carga volumétrica negativa. El campo eléctrico producido tiene una intensidad Es. El campo eléctrico altera la energía potencial del electrón, provocando la curvatura de la banda de energía del semiconductor, el desplazamiento lo sufren todos los niveles de energía, incluso el nivel de impurezas que se encuentra en la banda prohibida.

El semiconductor se encuentra en equilibrio termodinámico, por lo que la posición del nivel de Fermi es constante, alterando la distancia entre la posición de la banda de energía y el nivel de Fermi, produciendo una alteración de la distribución de los electrones por los niveles.

Si en la profundidad el semiconductor es del tipo N no degenerado y en los niveles de impureza donadora existen electrones, en la región próxima a la superficie el semiconductor también es del mismo tipo, pero degenerado.

Cuando se cambia la dirección de la tensión aplicada, se altera en correspondencia la distribución de la concentración de electrones, la carga volumétrica, el campo eléctrico, la energía potencial de los electrones y la disposición de las bandas de energía del semiconductor. El semiconductor se transforma de tipo N a tipo P. La capa del semiconductor, donde se modifica el tipo de portadores de carga mayoritarios se llama capa invertida, en este semiconductor, a cierta distancia de la superficie existe una capa con conducción intrínseca y el nivel de Fermi se encuentra en el centro de la banda prohibida.

8-2. Trabajo de salida

El trabajo real de salida es la energía necesaria para transferir electrones del semiconductor al vacío. En el límite del semiconductor existe una barrera de energía que impide la salida de los electrones del cristal que puede pasarse únicamente con energía alta, cuanto más alta es la temperatura, más electrones son capaces de pasar la barrera del límite del semiconductor. El fenómeno de salida de los electrones se conoce como emisión temoiónica.

8-3. Contacto metal-metal. Diferencia de potencial de contacto

Para el contacto metal-metal, se supone que dos trozos distintos de metales están unidos por los extremos, mientras que los otros dos extremos están separados por un espacio vacío. El primer metal tiene una energía de Fermi mayor, en tal caso en el instante de contacto los metales comienzan a intercambiar electrones y predominará el flujo de electrones del primer metal al segundo hasta tanto, la energía de Fermi para todo el sistema no se iguale. Dando lugar a que en el segundo metal aparezca una carga negativa y en el primero, positiva. Por lo que entre los metales se origina una diferencia de potencial de contacto conocida como diferencia de potencial de contacto interna y se determina por la diferencia de las energías de Fermi de los metales aislados, por la concentración de sus electrones y sus masas efectivas.

8-4. Contacto metal-semiconductor

Para el contacto metal-semiconductor se supone un contacto fiable entre un metal y un semiconductor de tipo N. Si el nivel de Fermi del metal se encuentra por debajo del nivel de Fermi del semiconductor, el flujo de electrones, que salen del semiconductor e inciden en el metal, en el primer instante supera el flujo de electrones del metal. El metal se carga negativamente y el semiconductor, positivamente, debido a lo cual entre las muestras en contacto se origina la diferencia del potencial de contacto y un campo eléctrico, que impide la transición de electrones del semiconductor al metal. El flujo de electrones continuará hasta que los niveles de Fermi del sistema no se igualen, después de lo cual se establece el equilibrio termodinámico, caracterizado por la igualdad de las corrientes termoiónicas. La diferencia de potencial de contacto prácticamente cae por completo en la región de precontacto del semiconductor.

Cuanto menor es el grado de aleación y mayor la diferencia de los trabajos de salida de electrones del metal y del semiconductor, tanto mayor es la profundidad de penetración del campo eléctrico en el semiconductor, debido a la diferencia de potencial de contacto.

8-5. Rectificación en el contacto metal-semiconductor

En el caso del contacto metal-semiconductor de tipo N, en estado de equilibrio en la región de precontacto se encorvan las bandas y surge la capa de barrera, con pocos electrones. Al conectar la fuente de tensión a través del contacto metal-semiconductor circula corriente. El pseudonivel de Fermi no es constante para todo el semiconductor, para determinar la esta variación se calcula la corriente que circula por el semiconductor.

En presencia de una fuente de tensión externa la variación del pseudonivel de Fermi se determina por la magnitud de la diferencia de potencial aplicada.

Para determinar la densidad de corriente, que circula a través del contacto metal-semiconductor, para diferente polaridad de la tensión externa, se supone que al semiconductor se le conecta el polo negativo de una batería, y al metal, el polo positivo. Y se supone que toda la tensión externa cae en la capa presuperficial del semiconductor, que tiene alta resistencia. La posición del nivel de Fermi en la profundidad del semiconductor y en el metal no se modifica, mientras que en la región del precontacto del semiconductor ésta se desplaza. Debido a la reducción de la barrera de potencial del lado del semiconductor el equilibrio del sistema se altera y circula una corriente dirigida del metal al semiconductor conocida como corriente de saturación. Del lado del metal la altura de la barrera de potencial no cambia, por eso el flujo de electrones desde el metal será el mismo que en estado de equilibrio.

En el caso de la conexión inversa de la batería, del lado del semiconductor la barrera de potencial aumenta en la magnitud de la diferencia de potencial aplicada.

Para la tensión directa (V>0) la corriente a través del contacto crece por una ley exponencial en función de la tensión y para la tensión inversa (V<0) la corriente tiende a la corriente de saturación. Por lo tanto, el contacto metal-semiconductor tiene propiedades rectificadoras.

8-6. Teoría de rectificación de diodo

Para calcular la característica tensión-corriente del contacto metal-semiconductor se utilizan dos teorías: de diodo y de difusión. Si la longitud del recorrido libre de los electrones es bastante menor que el espesor de la capa de barrera, los portadores de carga al pasar por esta capa se dispersan reiteradamente. En este caso, hay que tener en cuenta tanto la componente de difusión como la de deriva de la corriente. Para escribir la corriente de deriva ser puede utilizar la ley de Ohm cuando el campo eléctrico es débil, el campo tendrá una tensión máxima en el límite del semiconductor con el metal. Si se considera que los portadores de carga pasan la capa de barrera, la cual se asemeja al espacio vacío entre electrodos de una válvula electrónica, para el cálculo de la característica tensión-corriente del contacto se llama de diodo.

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