барьер Шоттки

Потенциальный энергетический барьер в переходах металл–полупроводник

Диод Шоттки 1N5822 с разрезанной упаковкой. Полупроводниковый кремний (в центре) создает барьер Шоттки против одного из металлических электродов и омический контакт против другого электрода.

Зонная диаграмма для барьера Шоттки полупроводника n- типа при нулевом смещении (равновесие) с графическим определением высоты барьера Шоттки , Φ _{B ,} как разницы между краем зоны проводимости интерфейса EC и уровнем Ферми EF . [Для _{барьера} Шоттки p -типа Φ _B представляет собой разницу между _EF и краем валентной зоны EV _. ]

Барьер Шоттки , названный в честь Уолтера Х. Шоттки , представляет собой потенциальный энергетический барьер для электронов, образующихся на переходе металл-полупроводник . Барьеры Шоттки обладают выпрямляющими характеристиками, подходящими для использования в качестве диода . Одной из основных характеристик барьера Шоттки является высота барьера Шоттки, обозначаемая Φ _B (см. рисунок). Значение Φ _B зависит от комбинации металла и полупроводника. ^{[1] [2]}

Не все переходы металл–полупроводник образуют выпрямляющий барьер Шоттки; переход металл–полупроводник, который проводит ток в обоих направлениях без выпрямления, возможно, из-за того, что его барьер Шоттки слишком низок, называется омическим контактом .

Физика образования

Когда металл находится в прямом контакте с полупроводником, может образоваться так называемый барьер Шоттки, что приводит к выпрямляющему поведению электрического контакта. Это происходит как в случае, когда полупроводник n-типа и его работа выхода меньше работы выхода металла, так и в случае, когда полупроводник p-типа и имеет место обратное соотношение между работами выхода. ^[3]

В основе описания формирования барьера Шоттки посредством формализма зонной диаграммы лежат три основных предположения: ^[4]

1. Контакт между металлом и полупроводником должен быть плотным и без присутствия какого-либо другого материального слоя (например, оксида).
2. Взаимная диффузия металла и полупроводника не учитывается.
3. На границе раздела двух материалов нет никаких примесей.

В первом приближении барьер между металлом и полупроводником предсказывается правилом Шоттки-Мотта как пропорциональный разнице работы выхода металл-вакуум и электронного сродства полупроводник-вакуум . Для изолированного металла работа выхода определяется как разность между его энергией вакуума (т.е. минимальной энергией, которой должен обладать электрон, чтобы полностью освободиться от материала) и энергией Ферми , и является инвариантным свойством указанного металла: ${\displaystyle \Phi _{M}}$ ${\displaystyle E_{0}}$ ${\displaystyle E_{F}}$

$${\displaystyle \Phi _{M}=E_{0}-E_{F}}$$

С другой стороны, работа выхода полупроводника определяется как:

$${\displaystyle \Phi _{S}=\chi +(E_{C}-E_{F})}$$

Где - сродство к электрону (т.е. разница между энергией вакуума и энергией дна зоны проводимости ). Ценно описывать работу выхода полупроводника в терминах его сродства к электрону, поскольку это последнее является инвариантным фундаментальным свойством полупроводника, в то время как разница между зоной проводимости и энергией Ферми зависит от легирования . ${\displaystyle \chi }$ ${\displaystyle E_{C}}$

Зонные диаграммы металлов и полупроводников при разделении (вверху) и при тесном контакте (внизу)

Когда два изолированных материала приводятся в тесный контакт, выравнивание уровней Ферми приводит к перемещению заряда из одного материала в другой, ^{[ необходимо разъяснение ]} в зависимости от значений рабочих функций. Это приводит к созданию энергетического барьера, поскольку на границе раздела материалов собирается некоторый заряд. Для электронов высоту барьера можно легко рассчитать как разницу между рабочей функцией металла и электронным сродством полупроводника: ${\displaystyle \Phi _{B_{n}}}$

$${\displaystyle \Phi _{B_{n}}=\Phi _{M}-\chi }$$

В то время как высота барьера для дырок равна разнице между энергетической щелью полупроводника и энергетическим барьером для электронов:

$${\displaystyle \Phi _{B_{p}}=E_{\text{gap}}-\Phi _{B_{n}}}$$

В действительности может произойти так, что заряженные интерфейсные состояния могут закрепить уровень Ферми на определенном значении энергии независимо от значений работы выхода, влияя на высоту барьера для обоих носителей. Это связано с тем, что химическое завершение кристалла полупроводника относительно металла создает электронные состояния в его запрещенной зоне . Природа этих вызванных металлом щелевых состояний и их заполнение электронами имеет тенденцию закреплять центр запрещенной зоны на уровне Ферми, эффект, известный как закрепление уровня Ферми . Таким образом, высоты барьеров Шоттки в контактах металл-полупроводник часто показывают небольшую зависимость от значения работы выхода полупроводника или металла, в сильном контрасте с правилом Шоттки-Мотта. ^[5] Различные полупроводники демонстрируют это закрепление уровня Ферми в разной степени, но технологическим следствием является то, что омические контакты обычно трудно сформировать в важных полупроводниках, таких как кремний и арсенид галлия . Неомические контакты представляют паразитное сопротивление току, которое потребляет энергию и снижает производительность устройства.

Выпрямляющие свойства

В выпрямляющем барьере Шоттки барьер достаточно высок, чтобы в полупроводнике, вблизи интерфейса, была область обеднения . Это придает барьеру высокое сопротивление, когда к нему прикладываются небольшие смещения напряжения. При большом смещении напряжения электрический ток , протекающий через барьер, по существу регулируется законами термоионной эмиссии , в сочетании с тем фактом, что барьер Шоттки фиксирован относительно уровня Ферми металла. ^[6]

• При прямом смещении в полупроводнике имеется много термически возбужденных электронов, которые способны проходить через барьер. Прохождение этих электронов через барьер (без возвращения электронов обратно) соответствует току в противоположном направлении. Ток очень быстро растет со смещением, однако при больших смещениях последовательное сопротивление полупроводника может начать ограничивать ток.
• При обратном смещении возникает небольшой ток утечки, поскольку некоторые термически возбужденные электроны в металле имеют достаточно энергии, чтобы преодолеть барьер. В первом приближении этот ток должен быть постоянным (как в уравнении диода Шокли ); однако ток постепенно увеличивается при обратном смещении из-за слабого снижения барьера (аналогично вакуумному эффекту Шоттки ). При очень высоких смещениях область обеднения разрушается.

Примечание: вышеизложенное относится к барьеру Шоттки для полупроводника n -типа; аналогичные соображения применимы и к полупроводнику p -типа.

Соотношение тока и напряжения качественно такое же, как и в случае p-n-перехода , однако физический процесс несколько иной. ^[7]

При очень высоком барьере Шоттки (в данном случае почти таком же высоком, как ширина запрещенной зоны) прямой ток смещения переносится за счет инжекции неосновных носителей заряда (белая стрелка показывает инжекцию электронной дырки в валентную зону полупроводника).

Значения проводимости

Термоионную эмиссию можно сформулировать следующим образом: ^{[ необходима цитата ]}

$${\displaystyle J_{th}=A^{**}T^{2}e^{-{\frac {\Phi _{B_{n,p}}}{k_{b}T}}}{\biggl (}e^{\frac {qV}{k_{b}T}}-1{\biggr )}}$$

В то время как плотность туннельного тока может быть выражена для барьера треугольной формы (с учетом приближения ВКБ ) как: ^{[ необходима цитата ]}

$${\displaystyle J_{T_{n,p}}={\frac {q^{3}E^{2}}{16\pi ^{2}\hbar \Phi _{B_{n,p}}}}e^{\frac {-4\Phi _{B_{n,p}}^{3/2}{\sqrt {2m_{n,p}^{*}}}}{3q\hbar E}}}$$

Из обеих формул ясно, что вклады тока связаны с высотой барьера как для электронов, так и для дырок. Если тогда необходим симметричный профиль тока для носителей n и p, высота барьера должна быть идеально одинаковой для электронов и дырок.

Инъекция неосновных носителей

Для очень высоких барьеров Шоттки, где Φ _B составляет значительную часть ширины запрещенной зоны полупроводника, прямой ток смещения может вместо этого переноситься «под» барьером Шоттки, как неосновные носители в полупроводнике. ^[8]

Примером этого является точечный транзистор .

Устройства

Диод Шоттки — это одиночный переход металл-полупроводник, используемый из-за его выпрямляющих свойств. Диоды Шоттки часто являются наиболее подходящим типом диода, когда требуется низкое прямое падение напряжения , например, в высокоэффективном источнике питания постоянного тока . Кроме того, благодаря механизму проводимости с основными носителями, диоды Шоттки могут достигать более высоких скоростей переключения, чем диоды с p–n-переходом, что делает их подходящими для выпрямления высокочастотных сигналов.

Вводя второй интерфейс полупроводник/металл и стек затворов, перекрывающий оба перехода, можно получить полевой транзистор с барьером Шоттки (SB-FET). Затвор управляет инжекцией носителей внутри канала, модулируя изгиб зон на интерфейсе и, таким образом, сопротивление барьеров Шоттки. Обычно наиболее значительный резистивный путь для тока представлен барьерами Шоттки, и поэтому сам канал не вносит существенного вклада в проводимость, когда транзистор включен. Этот тип устройства имеет амбиполярное поведение, поскольку при подаче положительного напряжения на оба перехода их зонная диаграмма изгибается вниз, позволяя электронному току течь от истока к стоку (наличие напряжения всегда подразумевается) из-за прямого туннелирования . В противоположном случае, когда отрицательное напряжение приложено к обоим переходам, зонная диаграмма изгибается вверх, и дырки могут инжектироваться и течь от стока к истоку. Установка напряжения затвора на 0 В подавляет туннельный ток и допускает только более низкий ток из-за термоионных событий. Одно из основных ограничений такого устройства тесно связано с наличием этого тока, который затрудняет его правильное выключение. Явным преимуществом такого устройства является то, что нет необходимости в легировании каналов и можно избежать дорогостоящих технологических этапов, таких как ионная имплантация и высокотемпературные отжиги , сохраняя низкий тепловой бюджет. Однако изгиб зоны из-за разницы напряжений между стоком и затвором часто вводит достаточно носителей, чтобы сделать невозможным правильное выключение устройства. Кроме того, низкие токи включения из-за собственного сопротивления контактов Шоттки типичны для этого типа устройств, как и очень жесткая и ненадежная масштабируемость из-за сложного контроля области перехода. ${\displaystyle V_{DS}}$

Зонные диаграммы работы SBFET. Слева направо: отрицательное приложенное напряжение изгибает зонную диаграмму, делая возможным туннельный ток дырок (p-тип); без приложенного напряжения допускается только термоионная эмиссия для носителей (выключенное состояние); положительное напряжение затвора позволяет электронам туннелировать из-за изгиба зон вниз (n-тип).

Эффективная схема транзистора Шоттки

Биполярный транзистор с барьером Шоттки между базой и коллектором называется транзистором Шоттки . Поскольку напряжение перехода барьера Шоттки мало, транзистор не может насыщаться, что повышает скорость при использовании в качестве переключателя. Это основа для семейств Schottky и Advanced Schottky TTL , а также их маломощных вариантов .

MESFET или металл-полупроводниковый FET использует обратно смещенный барьер Шоттки для создания обедненной области, которая отсекает проводящий канал, скрытый внутри полупроводника (аналогично JFET , где вместо этого p–n-переход обеспечивает обедненную область). Вариантом этого устройства является транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT), который также использует гетеропереход для создания устройства с чрезвычайно высокой проводимостью.

Полевой транзистор на основе углеродной нанотрубки с барьером Шоттки использует неидеальный контакт между металлом и углеродной нанотрубкой для формирования барьера Шоттки, который можно использовать для создания чрезвычайно малых диодов Шоттки, транзисторов и аналогичных электронных устройств с уникальными механическими и электронными свойствами.

Барьеры Шоттки также могут быть использованы для характеристики полупроводника. В обедненной области барьера Шоттки легирующие примеси остаются ионизированными и приводят к возникновению «пространственного заряда», который, в свою очередь, приводит к возникновению емкости перехода. Интерфейс металл-полупроводник и противоположная граница обедненной области действуют как две пластины конденсатора, при этом обедненная область действует как диэлектрик . Прикладывая напряжение к переходу, можно изменять ширину обеднения и емкость, используемую в профилировании напряжения емкости . Анализируя скорость , с которой емкость реагирует на изменения напряжения, можно получить информацию о легирующих примесях и других дефектах, метод, известный как переходная спектроскопия глубокого уровня .

Смотрите также

• Омический контакт
• диод Шоттки
• Диод
• Щелевые состояния, вызванные металлом
• Мемристор
• Электросмачивание

Ссылки

1. Tung, Raymond T. (2014). "Физика и химия высоты барьера Шоттки". Applied Physics Reviews . 1 (1): 011304. Bibcode : 2014ApPRv...1a1304T. doi : 10.1063/1.4858400 . ISSN  1931-9401.
2. Учебник по барьеру Шоттки. См. также переход металл–полупроводник .
3. Мюллер, Ричард С.; Каминс, Теодор И. (2003). Device Electronics for Integrated Devices (3-е изд.). Wiley. стр. 170. ISBN 9780471428770.
4. Sze, SM Ng, Kwok K. (2007). Физика полупроводниковых приборов. John Wiley & Sons. стр. 135. ISBN 978-0-471-14323-9. OCLC  488586029.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
5. «Корреляции и систематика высоты барьера».
6. Эта интерпретация принадлежит Гансу Бете , после неправильной теории Шоттки, см. Sah, Chih-Tang (1991). Основы твердотельной электроники . World Scientific. ISBN 978-9810206376.
7. Балкански, М.; Уоллис, Р. Ф. (2000). Физика полупроводников и ее применение . Oxford University Press. ISBN 978-0198517405.
8. Scharfetter, DL (1965). "Инжекция неосновных носителей и хранение заряда в эпитаксиальных диодах с барьером Шоттки". Solid-State Electronics . 8 (3): 299–311. Bibcode : 1965SSEle...8..299S. doi : 10.1016/0038-1101(65)90146-2.