MATERIALES ELÉCTRICOS

JUNTURA METAL-SEMICONDUCTOR

JUNTURA METAL SEMICONDUCTOR: Diagrama de Banda de ambos materiales:

EFM: Nivel de Fermi del metal. EFS: Nivel de Fermi del semiconductor. Observemos que sucede cuando juntamos el metal y el semiconductor desde el punto de vista del diagrama de bandas:

En • • •

condiciones de equilibrio térmico: Los niveles de Fermi se igualan. Pasan electrones del semiconductor hacia el metal. Los electrones dejan iones fijos positivos, en el lado del semiconductor, correspondientes a los de las impurezas donadoras ND. • Se forma una zona de depleción sobre el semiconductor de ancho Xn. • Para que se igualen los niveles de Fermi los niveles energéticos en el cuerpo del semiconductor deben bajar o descender de nivel.

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El metal se hace negativo con respecto al semiconductor, debido a los electrones que recibe, pero no se forma ninguna zona de deplexión porque en el metal no puede haber localización de cargas. Aparece una diferencia de potencial, potencial de juntura, el cual vale la diferencia de los niveles de Fermi de ambos materiales: qVj0 = EFM-EFS con Vj0 = potencial de juntura

• • •

Este potencial aparece para frenar el paso de electrones desde el semiconductor al metal. Estos se equilibran con el flujo de electrones que pueden saltar la barrera desde el metal hacia el semiconductor. La altura de la barrera de potencial, desde el semiconductor, que deben vencer los electrones es: q Vj0 = (EFM-EFS)

Con polarización directa: Si se aplica una tensión directa de tal forma que se haga al metal positivo y al semiconductor negativo, se logra disminuir la barrera de potencial favoreciendo el paso de los electrones del semiconductor al metal. Permitiendo que circule una corriente directa desde el polo positivo al negativo de la pila o fuente de tensión.

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Con polarización inversa: Si se aplica una tensión de tal forma que el metal quede negativo con respecto al semiconductor, se aumenta la barrera de potencial del lado del semiconductor, lo cual produce que disminuya el número de electrones que pueden saltar la misma desde el semiconductor hacia el metal. Pero desde el metal hacia el semiconductor la barrera sigue siendo EFM-ES y el número de electrones que pueden atravesarla es el mismo.

Como puede observarse esta juntura es rectificante por que permite el paso de corriente en sentido directo (metal + semiconductor -) y bloquea en sentido inverso (metal – semiconductor +) Por lo tanto la Característica tensión corriente: I=IS(eV/VT-1)

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Analicemos la distribución de carga, el campo y el potencial dentro de la zona de depleción: Aplicando la ecuación de Poissón: d2 V − δ , donde δ es la densidad de carga y δ=qND para 0 ≤ x ≤ xn. = ∈ dx 2 Luego el campo máximo será: − qND 2∈ ε máx = ⋅ x m , donde x m = . Vj 0 + VR , siendo Xm=Xn ya que la zona de qND ∈ deplexion se genera en el Semiconductor tipo n.

(

El potencial será: 1 1 qND 2 V = − . ∈máx .x m = .x m 2 2 ∈ La capacitancia de transición será: ∈A qND CT = = xm 2(Vj + VR )

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)

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Si ahora se tienen el mismo metal y semiconductor tipo n, pero con EFM< EFS:

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• • •

Un intercambio de carga sucede después del contacto. Electrones del metal pasan al semiconductor dejando una carga positiva sobre la superficie del metal y haciendo negativo al semiconductor (la superficie) del lado del contacto. El nivel de Fermi en el cuerpo del semiconductor es aumentado en una cantidad (EFS-EFM) para que quede al mismo nivel que el del metal. En este caso no se forma una zona de depleción sobre el semiconductor como en el caso anterior. Si se aplica un voltaje sobre la juntura este no cae sobre el contacto, por que no hay potencial de juntura. Este potencial aplicado se distribuye sobre el cuerpo del semiconductor.

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Juntura Metal-Semiconductor P: Consideremos el caso en que EFM>EFS:

Cuando los juntamos:

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Hay electrones en las bandas del semiconductor con mayor energía que en el metal. Por eso cuando los juntamos un flujo de electrones pasa al metal dejando huecos sobre el semiconductor y haciendo bajar el nivel de Fermi. Los huecos del semiconductor pueden moverse fácilmente hacia el metal y son neutralizados instantáneamente por la cantidad de electrones del metal. Los electrones del metal también se mueven instantáneamente hace el contacto donde son neutralizados por los huecos del semiconductor. Esta juntura es OHMICA no rectificante. Consideremos ahora EFM< EFS:

• •

• •

Antes del contacto el nivel de Fermi del metal está más arriba que el nivel de Fermi del semiconductor, en una cantidad EFS-EFM. Después del contacto fluyen electrones del metal hacia el semiconductor, hasta que los niveles de Fermi se igualen. La superficie del semiconductor se hace negativa, se forma una zona de carga espacial pues las impurezas aceptoras reciben un electrón creando iones fijos negativos. El ancho de la zona de carga espacial es ahora Xp, pues se forma sobre el semiconductor. Los niveles de energía en el cuerpo del semiconductor han sido aumentados en la cantidad EFS-EFM, aparece un potencial de contacto en la zona de carga espacial que vale EFS-EFM=qVj.

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Si una tensión V es aplicada al semiconductor, la barrera de potencial del lado del mismo disminuye. De esta manera los huecos del semiconductor pueden saltar la barrera y recombinarse con los electrones del metal. La barrera se reduce a: q(Vj-VD), del lado del semiconductor. Del lado del metal la barrera se mantiene constante. Si se aplica una tensión inversa, de manera que el semiconductor quede negativo, se aumenta la barrera de potencial, impidiendo el paso de huecos al metal.

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