Барьер Шоттки

Потенциальный энергетический барьер в переходах металл–полупроводник

1N5822 Диод Шоттки в разрезанной упаковке. Полупроводниковый кремний (в центре) образует барьер Шоттки против одного из металлических электродов и омический контакт с другим электродом.

Зонная диаграмма для полупроводникового барьера Шоттки n -типа при нулевом смещении (равновесии) с графическим определением высоты барьера Шоттки Φ _B как разности между краем межфазной зоны проводимости EC и _{уровнем} Ферми E _F . [Для барьера Шоттки p -типа Φ _B — это разность 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, пригодными для использования в качестве диода . Одной из основных характеристик барьера Шоттки является высота барьера Шоттки, обозначаемая Φ _B (см. рисунок). Величина Φ _B зависит от сочетания 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 слишком низкого барьера Шоттки, 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 тогда, когда полупроводник n-типа и его работа выхода меньше работы выхода металла, так и когда полупроводник p-типа и между работой выхода имеет место обратное соотношение. ^[3]

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

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

В первом приближении барьер между металлом и полупроводником предсказывается правилом Шоттки-Мотта как пропорциональный разности работы выхода металла-вакуума и сродства полупроводника-вакуума к электрону . Для изолированного металла работа выхода определяется как разница между его энергией вакуума (т.е. минимальной энергией, которой должен обладать электрон, чтобы полностью освободиться от материала) и энергией Ферми , и это инвариантное свойство 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 энергетическим уровнем зоны проводимости ). Важно описать работу выхода полупроводника с точки зрения его сродства к электрону, поскольку последнее является инвариантным фундаментальным свойством полупроводника, в то время как разница между зоной проводимости и энергией Ферми зависит от легирования . ${\displaystyle \chi }$

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

Когда два изолированных материала находятся в тесном контакте, выравнивание уровней Ферми приводит к перемещению заряда от одного материала к другому, ^{[ необходимы пояснения ]} в зависимости от значений работ выхода. Это приводит к созданию энергетического барьера, поскольку на границе раздела материалов собирается некоторый заряд. Для электронов высоту барьера можно легко рассчитать как разницу между работой выхода металла и сродством полупроводника к электрону: ${\displaystyle \Phi _{B_{n}}}$

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

А 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, что может произойти, так это то, что заряженные состояния интерфейса могут зафиксировать уровень Ферми на определенном значении энергии независимо от значений работы выхода, влияя на высоту барьера для обоих носителей. Это связано с тем, что химическое окончание полупроводникового кристалла относительно металла создает электронные состояния внутри его запрещенной зоны . Природа этих индуцированных металлом щелевых состояний и их заселение электронами имеет тенденцию прикреплять центр запрещенной зоны к уровню Ферми, эффект, известный как фиксация уровня Ферми . Таким образом, высоты барьеров Шоттки в контактах металл-полупроводник часто мало зависят от значения работы выхода полупроводника или металла, что сильно контрастирует с правилом Шоттки-Мотта. ^[5] В разных полупроводниках такое закрепление уровня Ферми наблюдается 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 создают паразитное сопротивление протеканию тока, которое потребляет энергию и снижает производительность устройства.

Исправление свойств

В выпрямляющем барьере Шоттки барьер достаточно высок, поэтому в полупроводнике вблизи границы раздела возникает область обеднения . Это придает барьеру высокое сопротивление при приложении к нему небольших смещений напряжения. При большом смещении напряжения электрический ток , текущий через барьер, по существу определяется законами термоэлектронной эмиссии в сочетании с тем фактом, что барьер Шоттки фиксирован относительно уровня Ферми металла. ^[6]

• При прямом смещении в полупроводнике имеется множество термически возбужденных электронов, способных преодолеть барьер. Прохождение этих электронов через барьер (без возвращения электронов) соответствует току в противоположном направлении. Ток очень быстро возрастает при смещении, 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 обладают достаточной энергией, чтобы преодолеть барьер. В первом приближении этот ток должен быть постоянным (как в уравнении диода Шокли ); однако ток постепенно возрастает при обратном смещении из-за слабого понижения барьера (аналогично вакуумному эффекту Шоттки ). При очень высоких смещениях область обеднения разрушается.

Примечание: вышеприведенное обсуждение касается барьера Шоттки для полупроводника n -типа; аналогичные соображения применимы и к полупроводнику p -типа.

Соотношение ток-напряжение качественно такое же, как и у pn-перехода , однако физический процесс несколько иной. ^[7]

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

Значения проводимости

Термоэлектронную эмиссию можно сформулировать ^{следующим образом :}

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

Хотя плотность туннельного тока может быть выражена для барьера треугольной формы (с учетом ^{приближения} ВКБ ⁾ как ^:

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

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

Инъекция миноритарного носителя

Для очень высоких барьеров Шоттки, где Φ _B составляет значительную долю запрещенной зоны полупроводника, ток прямого смещения вместо этого может переноситься «под» барьером Шоттки в качестве неосновных носителей в полупроводнике. ^[8]

Пример этого можно увидеть в транзисторе с точечным контактом .

Устройства

Диод Шоттки представляет собой 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 основной несущей диоды Шоттки могут достигать более высоких скоростей переключения, чем диоды с p – n-переходом, что делает их пригодными для выпрямления высокочастотных сигналов.

Введя второй интерфейс полупроводник/металл и стопку затворов, перекрывающую оба перехода, можно получить полевой транзистор с барьером Шоттки (SB-FET). Затвор управляет инжекцией носителей внутри канала, модулируя изгиб зоны на границе раздела и, следовательно, сопротивление барьеров Шоттки. Обычно наиболее резистивный путь для тока представлен барьерами Шоттки, поэтому сам канал не вносит существенного вклада в проводимость, когда транзистор включен. Устройства такого типа имеют амбиполярное поведение, поскольку при подаче положительного напряжения на оба перехода их зонная диаграмма изгибается вниз, позволяя электронному току идти от истока к стоку (всегда подразумевается наличие напряжения ) за счет прямого туннелирования . В противоположном случае, когда к обоим переходам приложено отрицательное напряжение, зонная диаграмма изгибается вверх, и дырки могут инжектироваться и течь от стока к истоку. Установка напряжения затвора на 0 В подавляет туннельный ток и обеспечивает только более низкий ток из-за термоэлектронных событий. Одно из основных ограничений такого устройства во многом связано с наличием 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 при этом низкий тепловой бюджет. Однако изгиб полосы из-за разницы напряжений между стоком и затвором часто вводит достаточное количество несущих, что делает невозможным правильное выключение устройства. Кроме того, для устройств такого типа характерны малые токи включения из-за собственного сопротивления контактов Шоттки, а также очень жесткая и ненадежная масштабируемость из-за сложного контроля площади перехода. ${\displaystyle V_{DS}}$

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

Эффективная схема транзистора Шоттки

Биполярный переходной транзистор с барьером Шоттки между базой и коллектором известен как транзистор Шоттки . Поскольку напряжение перехода барьера Шоттки невелико, транзистор не насыщается, что повышает скорость при использовании в качестве переключателя. Это основа семейств Schottky и Advanced Schottky TTL , а также их маломощных вариантов .

В MESFET или полевом транзисторе металл-полупроводник используется барьер Шоттки с обратным смещением, чтобы создать область обеднения, которая отсекает проводящий канал, расположенный внутри полупроводника (аналогично JFET, где вместо этого p – n-переход обеспечивает область обеднения). Вариантом этого устройства является транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT), в котором также используется гетеропереход , обеспечивающий чрезвычайно высокую проводимость устройства.

Полевой транзистор из углеродных нанотрубок с барьером Шоттки использует неидеальный контакт между металлом и углеродной нанотрубкой для формирования барьера Шоттки, который можно использовать для изготовления чрезвычайно маленьких диодов Шоттки, транзисторов и подобных электронных устройств с уникальными механическими и электронными свойствами.

Барьеры Шоттки также можно использовать для характеристики полупроводника. В области обеднения барьера Шоттки примеси остаются ионизированными и создают «пространственный заряд», который, в свою очередь, приводит к увеличению емкости перехода. Граница раздела металл-полупроводник и противоположная граница обедненной области действуют как две обкладки конденсатора, причем обедненная область действует как диэлектрик . Подавая напряжение на переход, можно изменять ширину обеднения и изменять емкость, используемую при профилировании емкостного напряжения . Анализируя скорость , с которой емкость реагирует на изменения напряжения, можно получить информацию о примесях и других дефектах. Этот метод известен как переходная спектроскопия глубокого уровня .

Смотрите также

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

Рекомендации

1. Тунг, Раймонд Т. (2014). «Физика и химия высоты барьера Шоттки». Обзоры прикладной физики . 1 (1): 011304. Бибкод : 2014ApPRv...1a1304T. дои : 10.1063/1.4858400 . ISSN  1931-9401.
2. Учебное пособие по барьеру Шоттки. См. также переход металл-полупроводник .
3. Мюллер, Ричард С.; Каминс, Теодор И. (2003). Электроника устройств для интегрированных устройств (3-е изд.). Уайли. п. 170. ИСБН 9780471428770.
4. Сзе, С.М. Нг, Квок К. (2007). Физика полупроводниковых приборов. Джон Уайли и сыновья. п. 135. ИСБН 978-0-471-14323-9. ОСЛК  488586029.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
5. «Корреляция и систематика высоты барьера».
6. Эта интерпретация принадлежит Гансу Бете после неверной теории Шоттки, см. Sah, Chih-Tang (1991). Основы твердотельной электроники . Всемирная научная. ISBN 978-9810206376.
7. Балканский, М.; Уоллис, РФ (2000). Физика полупроводников и их приложения . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0198517405.
8. Шарфеттер, DL (1965). «Инжекция неосновных носителей и накопление заряда в эпитаксиальных диодах с барьером Шоттки». Твердотельная электроника . 8 (3): 299–311. Бибкод : 1965SSEle...8..299S. дои : 10.1016/0038-1101(65)90146-2.