金属-半導体接触は，その名の通りに金属と半導体が接触したものです．金属-半導体接触は，ショットキー接触とオーミック接触に分けられます．本記事では金属-半導体接触について解説していきます．
金属-半導体接触
金属-半導体接触は金属と半導体を接触させたものです．金属-半導体接触は特性によって，ショットキー接触とオーミック接触の2種類があります．ショットキー接触は，ダイオードのように一方向のみで電流が流れる整流作用を持ちます．オーミック接触は金属同士の接触のように，両方向で電流を通す性質があります．
ショットキー接触とオーミック接触のどちらになるかは，不純物濃度や金属の種類によります．以下でそれぞれ説明していきます．
ショットキー接触
ショットキー接触は，電流が一方向のみで電流が流れる整流作用を持つ金属-半導体接触です．ショットキー接触について，図１の金属とn型半導体のショットキー接触から説明します (金属とp型半導体でも同様の動作をする)．
図１の上では接触していない金属とn型半導体を示しています．それぞれは別のポテンシャルを持つため，接触させると図１の下のようにポテンシャルの壁を形成します (ショットキー接触の場合)．
ポテンシャルの壁の形成する原理は，以下の通りです．金属と半導体を接触させると，フェルミ準位が一致するまで，半導体から金属に電子が移動します．これによってpn接合同様に，n型半導体で空乏層 (電子がなくなった層)ができます．電子が半導体から金属へ移動すると、半導体表面付近に正に帯電したイオン化ドナーが残り、空乏層と内部電界が形成されます。その結果、半導体のエネルギーバンドが曲がり、界面にショットキー障壁が形成されます．
このポテンシャルの高さ\(q\phi _B\)をショットキー障壁高さといいます．この障壁によってどちら側からもキャリア (電子)が移動しづらくなります．
ショットキー接触になる条件
ここではn型半導体との理想的な接触を考えます．真空準位とフェルミ準位の差を仕事関数といい，金属を\(q\phi_m\)，半導体を\(q\phi_s\)と表します．\(q\phi_m>q\phi_s\)では半導体側が空乏化します．ただし，実際の整流性には界面状態や不純物濃度も影響するため，仕事関数の大小だけでは決まりません．p型では関係が逆になります．
順方向バイアス
ショットキー接触に順方向にバイアスをかけた場合を図２に示します．
n型半導体とのショットキー接触では，金属側を半導体側より正にするのが順方向バイアスです．半導体側の空乏層が狭まり，半導体から見た障壁が下がります．pn接合の少数キャリアの拡散電流とは異なり，主に熱エネルギーで障壁を越える電子が半導体から金属へ移動し，電流は金属から半導体へ流れます．
逆方向バイアス
n型半導体とのショットキー接触では，金属側を半導体側より負にするのが逆方向バイアスです．半導体側の空乏層が広がり，半導体から見た障壁が高くなるため，電子が金属側へ移りにくくなります．降伏前には小さな逆方向電流が流れます．
ショットキー接触の応用先
ショットキー接触は以上のように整流作用を持つため，ショットキーダイオード (ショットキーバリアダイオード)に応用されます．ショットキーダイオードはショットキー接触の整流作用を用いたダイオードです．
オーミック接触
オーミック接触は，電流と電圧がほぼ比例し，両方向に小さな接触抵抗で電流を流せる金属-半導体接触です．障壁が低い場合だけでなく，障壁が薄く，電子がトンネルで通過できる場合にも実現できます．
オーミック接触になる条件
n型半導体との理想的な接触では，以下の関係で半導体表面が電子の蓄積状態になり，オーミック接触を得やすくなります．実際には接触抵抗や界面状態も確認する必要があります．
$$q\phi_s>q\phi_m$$
しかし，この条件を満たさなくてもオーミック接触になる場合もあります．通常，\(q\phi_s<q\phi_m\)ではショットキー接触になりますが，半導体の不純物を高濃度に添付すると，空乏層が狭くなってトンネル効果が発生します．トンネル効果が発生すると，電流が流れるようになります．この高濃度不純物によるオーミック接触もしばしば用いられます．
オーミック接触の応用先
オーミック接触は，集積回路の半導体と配線をつなぐ，コンタクトとして利用されます．
まとめ
- ショットキー接触：電流が一方向のみで流れる整流作用を持つ金属-半導体接触
- 仕事関数：真空準位とフェルミ準位の差
- ショットキー障壁高さ：ショットキー接触において金属と半導体のポテンシャル障壁の高さ
- ショットキーダイオード：ショットキー接触の整流作用を用いたダイオード
- オーミック接触：順方向と逆方向の両方で電流が流れる金属-半導体接触
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