Da das Leitungsband in n-Halbleitern energetisch höher liegt als das Ferminiveau, können bei der Kontaktierung Elektronen aus dem Silicium in das Metall fließen, da diese den energetisch niedrigsten Zustand einnehmen.
Bändermodell vor dem Kontakt
Es verringert sich somit die Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Elektronen im Leitungsband des Halbleiters, und das Ferminiveau, welches den höchsten noch mit Elektronen besetzten Energiezustand beschreibt, entfernt sich.
Durch die abgeflossenen negativen Ladungsträger bleiben positive Donatoren (z.B. Phosphorionen) zurück und es entsteht eine Raumladungszone. Die Verbiegung des Leitungsbandes veranschaulicht die Spannungsbarriere (Schottky-Barriere) welche die verbliebenen Elektronen im n-Leiter überwinden müssen, um in das Metall zu fließen.
Beim Kontakt von Metall und Halbleiter gleichen sich die Ferminiveaus also durch Diffusionsprozesse an, im Bereich der Grenzfläche ist das Ferminiveau konstant.
Bändermodell nach dem Kontakt
Die Weite w der Verarmungszone hängt von der Stärke der Dotierung ab. Die aus dem Halbleiter abgewanderten Elektronen erzeugen im Metall eine negative Raumladung welche auf den Oberflächenbereich begrenzt ist.
Dieser Metall-Halbleiter-Kontakt weist eine nichtlineare Strom-Spannungscharakteristik auf, eine so genannte Schottky-Diode. Diese Barriere können die Elektronen durch Wärmeenergie von außen überwinden oder durch ein anliegendes elektrisches Feld "untertunneln" (nach der Quantentheorie kann ein Teilchen einen Bereich, in dem es aus energetischen Gründen nicht sein kann, überwinden in dem es sich, stark vereinfacht gesprochen, kurzzeitig Energie ausleiht um die Barriere zu überwinden und die Energie dann wieder zurückgibt: der Tunneleffekt). Auch bei Aluminium kann dieser Effekt beobachtet werden. Da Aluminium an der Oberfläche immer oxidiert, hätten zwei aneinander liegende Aluminiumflächen eine isolierende Wirkung. Es ist jedoch ein Stromfluss zu verzeichnen, der auf dem Tunneleffekt beruht.
Je nach Anwendung will man diesen Dioden-Effekt herstellen oder aber verhindern. Um einen ohmschen Kontakt, also einen Kontakt ohne diese Potentialbarriere zu erzeugen, kann die Kontaktfläche stark dotiert werden (n+-Dotierung), so dass die Verarmungszone sehr dünn wird und der Metall-Halbleiter-Kontakt in Folge des Tunneleffekts ein lineares Strom-Spannungsverhältnis aufweist.
Bändermodell nach n+Dotierung
Da Aluminium im Silicium als Elektronenakzeptor eingebaut wird (es nimmt Elektronen auf) und sich so eine p-Dotierung an der Grenzfläche bildet, entsteht bei p-dotiertem Silicium ein ohmscher Kontakt. Bei einem n-dotierten Gebiet verursacht das Aluminium eine Dotierungsumkehr, so dass hier ein p-n-Übergang entsteht: eine Diode. Um diese zu vermeiden gibt es zwei Möglichkeiten:
- das n-dotierte Gebiet wird so stark dotiert, dass das Aluminium dieses nur abschwächt, nicht aber umkehrt
- eine Zwischenschicht aus Titan, Chrom oder Palladium verhindert die Umdotierung der n-dotierten Gebiete
Zur Verbesserung der Kontakte können auch Metallsilicide (Metalle in Verbindung mit Silicium) an der Kontaktfläche aufgebracht werden.
Im Gegensatz zur Diode beim p-n-Übergang, bei der die Schaltgeschwindigkeit auf der Diffusion von Elektronen beruht, haben Schottky-Dioden sehr kurze Schaltzeiten. Sie eignen sich daher als Schutzdioden um Spannungsspitzen abzufangen.