Der Metall-Halbleiter-Übergang

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  • Der Metall-Halbleiter-Übergang

    Da die Metallkontakte auf den Halbleiter aufgebracht werden, um elektrischen Strom einzuleiten, wollen wir zunächst grundsätzlich die elektrischen Eigenschaften an einer Übergangsfläche zwischen Metall und Halbleiter betrachten. Die resultierenden Leitungseigenschaften sind dabei stark von dem gewählten Materialverbund abhängig. Die auftretenden Effekte können im Detail nur mit der Bändertheorie zugänglich gemacht werden, deren Grundlagen im Kapitel link Moderner Zugang zum Leitungsprozess, die Energiebänder-Theorie besprochen sind.

    Die folgenden Abbildungen stellen die charakteristischen Energiebedingungen im Metall und in unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien.

    Wir betrachten hier nun ein Beispiel, bei dem sich ein Übergang ergibt, bei dem Strom und Spannung nicht dem linearen Ohmschen Gesetz folgen, sondern das Verhalten wie bei einer Diode zeigen. Das ist zum Beispiel bei der Verbindung von Aluminium mit n-leitendem Silizium der Fall.

    Im Halbleiter reichen die Energien, die die Elektronen einnehmen, bis an die für dieses Material charakteristische Bandlücke heran. Im Metall hingegen werden die Energien ohne Einfluss eines solchen verbotenen Energiebereichs bis zum sogenannten Ferminiveau besetzt. Die Statistik der Elektronenenergien lässt sich auch im Halbleiter durch ein Ferminiveau beschreiben, das sich aber innerhalb der Bandlücke befindet. Da in unserem Fall der n-Dotierung eine große Zahl von Elektronen im Leitungsband zur Verfügung gestellt werden, liegt das Ferminiveau nahe dieser oberen Bandkante.

    Abb. 38: Die charakteristischen Energiebedingungen im Metall und den unterschiedlich dotierten Halbleitern

    Nun wollen wir den Übergang zwischen Aluminium und dem n-dotierten Silizium-Halbleiter untersuchen. Vor dem Kontakt der Materialien lassen sich die Energieniveaus wie in folgender Abbildung dargestellt charakterisieren. Das Fermi-Niveau im Halbleiter liegt in diesem Fall höher als im Metall.

    Falls Metall und Halbleiter in Kontakt zueinander treten, kommt ein Elektronenfluss zustande, der die unterschiedlichen Energiebedingungen angleicht. Im Gleichgewicht ergibt sich im Übergangsbereich im Halbleitermaterial eine verringerte Elektronendichte, da zum Angleichen der Ferminiveaus Elektronen in das Metall fließen. Die verbleibenden positiv geladenen Dotieratome, die nun nicht mehr elektrostatisch kompensiert sind, stellen somit ein Hindernis für übertretende Elektronen dar (Shottky-Barriere genannt). Die Breite dieser Barriere, die man auch Raumladungszone nennt, hängt von der Stärke der Dotierung ab. Sie tritt im Energiediagramm durch die Bandverbiegung im Übergangsbereich nach dem Ausgleich der Ferminiveaus auf:

    Eine über dem Übergang angelegte Spannung bewirkt nun abhängig von der Polung entweder eine Unterstützung bzw. ein Entgegenwirken zu dieser Barriere. Ein solcher Übergang zeigt daher das Verhalten einer Diode, da der Stromfluss in eine Richtung unterbunden ist (ein so erzeugtes Bauelement nennt man Shottky-Diode).

    Um diesen Effekt zu vermeiden kann durch hohe Dotierung des Halbleitermaterials die Raumladungszone verkleinert werden. Die Elektronen können diesen Bereich dann in hoher Zahl durchdringen, auch wenn ihre Energie die Höhe der Barriere nicht überschreitet. Das Energiediagramm nimmt dann schemenhaft folgende Struktur an:

    Anders als es die klassische Vorstellung erwarten lässt, stellt eine Energiebarriere gewisser Höhe in der Quantenmechanik kein absolutes Hindernis für Partikel geringerer Energie dar. Sie bewirkt lediglich eine stetige Reduzierung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Teilchens in wachsender Eindringtiefe.

    Eine hohe Energiebarriere von geringer Dicke kann daher mit gewisser Wahrscheinlichkeit auch mit geringerer Energie durchdrungen werden (dieses Phänomen wird Tunneleffekt genannt).

    Somit kann man erreichen, dass der Effekt der Energiebarriere unmerklich wird und das Verhalten von Strom und Spannung in guter Näherung dem Ohmschen Gesetz folgt (Kontakte dieser Art nennt man ohmsche Kontakte).

    Erwünscht ist der obige Effekt wie schon erwähnt bei der Shottky-Diode. Ein solches Bauteil bietet gegenüber einer Diode, die mit einem p-n-Übergang arbeitet, schnellere Reaktionszeiten. Es kommt daher als Schutzdiode zur Überbrückung kurzfristig auftretender Belastungen zur Anwendung.

    Es bleibt anzumerken, dass obige Betrachtungen nur einen Spezialfall für bestimmte Materialkombinationen darstellen. Findet der Elektronenaustausch aufgrund entgegengesetzter Energieverhältnisse vorwiegend in die umgekehrte Richtung statt (dies ist also der Fall, wenn das Ferminiveau des Metalls höher liegt als das des Halbleiters), so kommt es nicht zur Ausbildung der oben beschriebenen Barriere – es handelt sich also dann oft von Haus aus um ohmsche Kontakte. Ein Energiediagramm unter diesen Bedingungen sieht dann wie folgt aus: