Złącze metal-półprzewodnik

Pytanie

Pyta Rafał

Czy w styku M-S poziomy energetyczne są modyfikowane (podnoszone lub opuszczane) w całym półprzewodniku ? Na schematach poziom np. opada a następnie jest linią prostą z czego wnioskuję że jest już tak dalej w reszcie. Wiem że modyfikacja jest powodowana przez pole elektryczne (które wnika w niewielką część półprzewodnika) ale również jeżeli straci elektrony to wszystkie poziomy powinny być zmodyfikowane. Czy jeżeli półprzewodnik jest w kontakcie z powietrzem i elektrony nie mają gdzie odpłynąć to na wykresie będzie tylko zagięcie spowodowane ładunkiem powierzchniowym ? Czy w próżni też by powstał ładunek powierzchniowy ?

Odpowiedź

Odpowiada Jan Gaj

Tak, na wszystkie zadane pytania. W szczególności zmiana energii poziomów (raczej pasm) energetycznych w złączu metal-półprzewodnik (M-S) dotyczy całego wnętrza półprzewodnika. Metal i półprzewodnik mają z reguły różne (makroskopowe) potencjały ze względu na różną strukturę stanów elektronowych i różną gęstość elektronów. Po połączeniu ich elektrony przepływają aż do zrównania potencjałów. Jeżeli półprzewodnik jest umieszczony w powietrzu lub w próżni, a na jego powierzchni znajdują się stany naładowane dodatnio lub ujemnie, to nastąpi przepływ ładunku neutralizującego z wnętrza półprzewodnika. Spowoduje to powstanie pola elektrycznego w warstwie przy powierzchni (między ładunkiem powierzchniowym, a tym, który napłynął z wnętrza).

Pojawia się tu subtelność: jeżeli między metalem a półprzewodnikiem wyrównują się potencjały, to skąd pole elektryczne? Paradoks ten bierze się z różnych sposobów liczenia potencjału: makroskopowo porównujemy energię elektronów „na powierzchni” ich „morza” w obu materiałach. Mówimy wtedy o potencjale chemicznym zwanym także poziomem Fermiego. Przepływ elektronów następuje do zrównania się tych poziomów, podobnie jak to ma miejsce przy wyrównywaniu się poziomów w połączonych zbiornikach wodnych. Kiedy mówimy o polu elektrycznym, mamy na myśli zmiany energii stanów (pasm) elektronowych przy oddalaniu się od powierzchni półprzewodnika, podobnie jak w pobliżu granicy dwóch zbiorników wodnych dno może być pochyłe. Analogia zbiorników wodnych nie jest jednak pełna, bo przepływ elektronów między metalem a półprzewodnikiem wpływa na zagięcie pasm, a przepływ wody nie zmienia w zasadzie kształtu dna.