Schottky-Kontakt (Sperrschicht-Kontakt)
Einleitung
Wie bereits gelernt besteht eine Diode aus einem PN-Übergang. Jedoch wird, um die Diode zu benutzen, dieser PN-Übergang normalerweise über Metallkontakte nach außen geführt und so als Bauteil realisiert.
Dabei fällt auf das der Übergang von Metall zum Halbleiter bestimmte Eigenschaften aufweist. Diese sind teilweise störend, bergen aber auch neue Ideen und Herangehensweisen an die Halbleitertechnik.
Bringt man ein Metall und einen dotierten Halbleiter zusammen, entsteht ein bestimmter Übergang. Allgemein unterscheidet man 2 Arten von Metall-Halbleiterübergängen.
Je nachdem wie die Dotierung des Halbleiters und aber auch die Eigenschaften des gewählten Metalls gewählt sind ergibt sich entweder ein Schottky-Kontakt oder ein ohmscher Kontakt.
In diesem Betrag geht es speziell um den Schottky-Kontakt.
⇨ Gleichrichtende Übergänge (Schottky-Kontakt)
⇨ Ohm‘sche Kontakte
Betrachtet man Metall und Halbleiter getrennt voneinander, besitzen beide eine bestimmte Fermi-Energie. Diese ist in der Regel unterschiedlich hoch. Beide Ferminiveaus gleichen sich an. Was das für Auswirkungen hat, zeigt sich unten.
Der Schottky-Kontakt kann nochmal in 2 Varianten unterteilt werden: In Metall + N dotierter Halbleiter und in Metall + P dotierter Halbleiter.
Der Schottky-Kontakt weist eine Gleichrichtendewirkung auf. Das bedeutet vereinfacht gesagt: Der Strom kann nur in eine Richtung durchfließen, wie wir es von der klassischen Diode kennen.
Entstehung des Schottky-Kontakt
Der Schottky Kontakt kann auf zwei unterschiedliche Varianten erfolgen. Einmal Metall + N dotierter Halbleiter oder Metall + P dotierter Halbleiter.
Das Metall und der Halbleiter müssen dabei bestimmte Eigenschaften aufweisen, damit es sich auch um einen Schottky Kontakt handelt.
Ansonsten kann es sich auch um ein Ohmschen Kontakt handeln. Mehr hierzu: ⇨ Ohm‘sche Kontakte
Welche Eigenschaften das sind, wird im Folgenden näher erklärt. Hierzu müssen Metall und Halbleiter getrennt voneinander betrachtet werden (also noch nicht zusammengefügt).
Material Eigenschaften – Metall + N-Halbleiter
Beim Schottky-Kontakt ist die Fermi-Energie des Metalls niedriger als die Fermi-Energie des N-Dotierten Halbleiter.
Das bedeutet, die Austrittsarbeit des Metalls ist größer als die des Halbleiters.
Wm > Wh
Material Eigenschaften – Metall + P-Halbleiter
Der Schottky-Kontakt kann auch aus einem Metall und einem P dotierten Halbleiter bestehen.
Hier ist allerdings die Austrittsarbeit des Halbleiters größer als die Austrittsarbeit des Metalls.
Wm < Wh
Thermische Gleichgewicht – Schottky-Kontakt
Zusammenfügen von Metall und N-Halbleiter
Nun werden Metall und Halbleiter zusammengebracht.
Dies hat zur Auswirkung, dass Elektronen vom Halbleiter in das Metall übergehen – sie diffundieren in das Metall.
Grund hierfür ist, dass die Austrittsarbeit des Halbleiters geringer ist als die des Metalls.
Nun ist das thermische Gleichgewicht des Metall-Halbleiter-Übergangs entstanden.
Hier fließt kein Strom durch den Schottky-Kontakt.
Warum, kann einfach über das Bändermodell erklärt werden.
Aus den Grundlagen zum Bändermodell wissen wir, dass gerne der Vergleich zu Murmeln herangezogen wird. Die Elektronen verhalten sich wie Murmeln oder Bälle und können den Berg nicht nach oben rollen / über eine Barriere rollen.
Die hier entstandene Barriere verhindert also, dass (ohne äußere Spannung) die Elektronen vom Halbleiter in das Metall übergehen können. Und auch die Elektronen können vom Metall nicht zum Halbleiter übergehen. Dies verhindert diese Barriere.
Zusammenfügen von Metall und P-Halbleiter
Bringt man Metall und P-Halbleiter zusammen, gehen somit Elektronen vom Metall in den p-Halbleiter über. Sie diffundieren in den P-Halbleiter, weil die Austrittsarbeit des Metalls geringer ist.
Die Elektronen des Metalls setzen sich in die freien Löcher des P-Halbleiters. Somit entsteht an der Grenze beim P-Halbleiter eine Verarmungszone mit nicht kompensierten negativen Raumladungen. (Wie beim N-HL nur eben negativ).
Beim Bändermodell zieht es das Metall runter und der Halbleiter geht nach oben. Die Fermi-Niveaus gleichen sich an.
Nun befindet sich der Schottky-Kontakt im thermischen Gleichgewicht. Ohne äußere Spannung können die Ladungsträger den Grenzbereich nicht überqueren.
Wie wir bereits wissen, verhalten sich die Löcher im Bändermodell wie Luftblasen. Sie möchten hochsteigen.
Im Bild ist zu sehen, dass es im thermischen Gleichgewicht nicht möglich ist, dass sich die Löcher in das Metall bewegen.
Flusspolung / Positive Spannung – Schottky-Kontakt
Flusspolung – Metall + N-Halbleiter
An den N-Halbleiter wird der -Pol und an das Metall der +Pol gelegt.
Wie wir aus den Grundlagen zum Bändermodell wissen, hat ein +Pol die Eigenschaft das Bändermodell herunter zu ziehen und durch den -Pol steigt das Bändermodell hoch.
-> Grundlagen Bändermodell
Dies hat hier die Auswirkung, dass die Barriere abgebaut wird und der Strom durch den Metall-Halbleiter-Übergang fließen kann. Die Elektronen verhalten sich, wie erklärt, wie Murmeln oder Bälle und können sich so zum Metall bewegen.
Aus Sicht der Ladungsträger flutet der -Pol den N-Halbleiter. Die Raumladungszone wird auch geflutet und somit abgebaut. Somit können die Elektronen fließen.
Flusspolung – Metall + P-Halbleiter
Es wird der -Pol an das Metall gelegt und der +Pol an den p dotierten Halbleiter.
Wie immer: Der -Pol zieht das Bändermodell nach oben und der +Pol zieht es nach unten.
-> Grundlagen Bändermodell
Die Löcher-Barriere wird somit aufgehoben.
Es kann ein Löcherstrom vom Halbleiter zum Metall stattfinden.
Aus Sicht der Ladungsträger flutet der +Pol den P-Halbleiter mit Löchern. Die Raumladungszone wird also mit Löchern geflutet und somit abgebaut. Die Elektronen des Metalls diffundieren in den P-Halbleiter. So kommt es zu einem Stromfluss.
Sperrpolung / Negative Spannung – Schottky-Kontakt
Sperrpolung – Metall + N-Halbleiter
Hier wird an den N-Halbleiter der +Pol und an das Metall der -Pol angelegt. Hier gilt ebenfalls: +Pol zieht das Bändermodell nach unten und der -Pol zieht es nach oben.
In diesem Fall hat dies die Auswirkung, dass die Barriere noch weiter steigt.
Aus Sicht der Ladungsträger werden durch den +Pol Elektronen aus dem N-Halbleiter gezogen und die Raumladungszone vergrößert sich.
Sperrpolung – Metall + P-Halbleiter
+Pol an das Metall und -Pol an den p dotierten Halbleiter.
+Pol zieht das Bändermodell nach unten und der -Pol zieht es nach oben.
Löcher-Barriere wird vergrößert.
Es kann kein Löcherstrom vom Halbleiter zum Metall stattfinden.
Aus Sicht der Ladungsträger werden durch den -Pol die Löcher aus dem P-Halbleiter gezogen und die Raumladungszone vergrößert sich.