Барьер Шоттки

редактировать

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 против другого электрода.

Зонная диаграмма для полупроводникового барьера Шоттки n-типа при нулевом смещении (равновесие) с графическим определением высоты барьера Шоттки, Φ B, как разности между межфазной зоной проводимости краем E C и уровень Ферми EF. [Для барьера Шоттки p-типа Φ B - это разница между E F и краем валентной зоны E V.]

A барьером Шоттки, названным в честь Уолтера H. Schottky, представляет собой барьер потенциальной энергии для электронов, образованный на переходе металл-полупроводник. Барьеры Шоттки имеют выпрямляющие характеристики, пригодны 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.

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.

Содержание

1 Физика образования
2 Выпрямляющие свойства
- 2.1 Инъекция неосновных носителей
3 Устройства
4 Электросмачивание
5 Изменение высоты барьера Шоттки (SBH)
- 5.1 Встроенные наночастицы на границе раздела металл-полупроводник
6 См. Также
7 Ссылки

Физика образования

Когда металл находится в прямом контакте с полупроводником, может образоваться так называемый барьер Шоттки, приводящий к выпрямляющему поведению электрический контакт. Это происходит как когда полупроводник имеет n-тип и его работа выхода меньше работы выхода металла, так и когда полупроводник имеет p-тип и имеет место противоположное соотношение между работой выхода.

В основе описания образования барьера Шоттки с помощью формализма зонной диаграммы есть три основных допущения:

Контакт между металлом и полупроводником должен быть плотным и без присутствия какого-либо другого слоя материала (например, оксида).
Не учитывается взаимная диффузия металла и полупроводника.
На границе раздела между ними нет примесей

В первом приближении, согласно правилу Шоттки-Мотта, барьер между металлом и полупроводником должен быть пропорционален разности работы выхода металл-вакуум и сродство полупроводник-вакуум к электрону. Для изолированного металла работа выхода $Φ M {\ displaystyle \ Phi _ {M}}$ ${\ displaystyle \ Phi _ {M}}$ определяется как разница между его энергией вакуума $E 0 {\ displaystyle E_ {0}}$ $E_ {0}$ (т.е. минимальная энергия, которой должен обладать электрон, чтобы полностью освободиться от материала) и энергия Ферми $EF {\ displaystyle E_ {F}}$ $E_F$ , и это инвариантное свойство указанного металла:

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

С другой стороны, работа выхода полупроводника определяется как:

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

Где $χ {\ displaystyle \ chi}$ $\ chi$ - это сродство к электрону (т. Е. Разница между энергия вакуума и уровень энергии 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.

Диаграммы зон для металлов и полупроводников при разделении (вверх) и при тесном контакте (внизу).

Когда два изолированных материала находятся в тесном контакте, выравнивание уровней Ферми приводит к перемещению заряда от одного материала к другой - в зависимости от значений рабочих функций. Это приводит к созданию энергетического барьера, поскольку на границе раздела материалов собирается некоторый заряд. Для электронов высоту барьера $Φ B n {\ displaystyle \ Phi _ {B_ {n}}}$ ${\ displaystyle \ Phi _ {B_ {n}}}$ можно легко вычислить как разницу между работой выхода металла и сродством к электрону полупроводника. :

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

В результате высота барьера для отверстий будет равна разница между запрещенной зоной полупроводника и энергетическим барьером для электронов:

$Φ B p = E gap - Φ B n {\ displaystyle \ Phi _ {B_ {p}} = E_ {gap} - \ Phi _ { B_ {n}}}$ ${\ displaystyle \ Phi _ {B_ {p}} = E_ {пробел} - \ Phi _ {B_ {n}}}$

На самом деле может случиться так, что заряженные состояния интерфейса могут закрепить уровень Ферми на определенном значении энергии независимо от значений работы выхода, влияя на высоту барьера для обоих носителей. Это происходит из-за того, что химическая оконечность кристалла полупроводника относительно металла создает электронные состояния в пределах его запрещенной зоны. Природа этих состояний запрещенной зоны, индуцированных металлом, и их заполнение электронами имеет тенденцию закреплять центр запрещенной зоны на уровне Ферми, эффект, известный как закрепление уровня Ферми. Таким образом, высота барьеров Шоттки в контактах металл-полупроводник часто мало зависит от значения работы выхода полупроводника или металла, что сильно контрастирует с правилом Шоттки-Мотта. Разные полупроводники демонстрируют этот пиннинг уровня Ферми в разной степени, но технологическим последствием является то, что омические контакты обычно трудно формировать в важных полупроводниках, таких как кремний и арсенид галлия. Неомические контакты создают паразитное сопротивление току, которое потребляет энергию и снижает производительность устройства.

Механизмы проводимости через барьер Шоттки обусловлены основными носителями и в основном связаны с двумя вкладами: термоэлектронной эмиссией и прямым туннелированием через барьер, когда его форма позволяет это. термоэлектронная эмиссия может быть сформулирована следующим образом:

$J th = A ∗ ∗ T 2 e - Φ B n, pkb T (eq V kb T - 1) {\ displaystyle J_ {th} = A ^ {**} T ^ {2} e ^ {- {\ frac {\ Phi _ {B_ {n, p}}} {k_ {b} T}}} {\ biggl (} e ^ {{\ frac {qV} {k_ {b} T}} - 1} {\ biggr)}}$ ${\ displaystyle J_ {th} = A ^ {**} T ^ {2} e ^ {- {\ frac {\ Phi _ { B_ {n, p}}} {k_ {b} T}}} {\ biggl (} e ^ {{\ frac {qV} {k_ {b} T}} - 1} {\ biggr)}}$

Хотя туннельная плотность тока может быть выражена, для барьера треугольной формы (учитывая WKB приближение ) как:

$JT n, p = q 3 E 2 16 π 2 ℏ Φ B n, pe - 4 Φ B n, p 3/2 2 mn, p ∗ 3 q ℏ E {\ displaystyle J_ {T_ {n, p}} = {\ frac {q ^ {3} E ^ {2}} {16 \ pi ^ {2} \ hbar \ Phi _ {B_ {n, p}}}} e ^ {\ frac {-4 \ Phi _ {B_ {n, p}} ^ {3/2} {\ sqrt {2m_ {n, p} ^ {*}}}} {3q \ hbar E}}}$ ${\ displaystyle J_ {T_ {n, p}} = {\ frac {q ^ {3} E ^ {2}} {16 \ pi ^ {2} \ hbar \ Phi _ {B_ {n, p} }}} e ^ {\ frac {-4 \ Phi _ {B_ {n, p}} ^ {3/2} {\ sqrt {2m_ {n, p} ^ {*}}}} {3q \ hbar E }}}$

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.

Выпрямляющие свойства

В выпрямляющем барьере Шоттки этот барьер достаточно высок, чтобы в полупроводнике была область обеднения, рядом с границей раздела. Это придает барьеру высокое сопротивление при приложении к нему небольших смещений напряжения. При большом смещении напряжения электрический ток, протекающий через барьер, по существу регулируется законами термоэлектронной эмиссии в сочетании с тем фактом, что барьер Шоттки фиксирован относительно уровня Ферми металла..

Прямое смещение: термически возбужденные электроны могут проникать в металл.

Обратное смещение: барьер слишком высок, чтобы термически возбужденные электроны попадали в зону проводимости из металла.

При прямом смещении возникает много термически возбужденных электронов в полупроводнике, которые могут проходить через барьер. Прохождение этих электронов через барьер (без возврата электронов) соответствует току в противоположном направлении. Ток растет очень быстро при смещении, однако при высоких 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 для диода Шокли ); однако ток постепенно растет с обратным смещением из-за слабого понижения барьера (аналогично вакууму эффекту Шоттки ). При очень высоких смещениях область обеднения выходит из строя.

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

Вольт-амперная зависимость качественно такая же, как и для pn-перехода, однако физический процесс несколько иной.

Для очень высокого барьера Шоттки (в данном случае почти до ширины запрещенной зоны) прямой ток смещения переносится за счет инжекции неосновных носителей (белая стрелка показывает инжекцию электронной дырки в валентную зону полупроводника).

Инжекция неосновных носителей

Для очень высоких барьеров Шоттки, где Φ B составляет значительную часть запрещенной зоны полупроводника, прямой ток смещения может вместо этого проходить «под» барьером Шоттки., в качестве неосновных носителей в полупроводнике.

Пример этого можно увидеть в точечно-контактном транзисторе.

Devices

A диод Шоттки - это одиночный переход металл-полупроводник, используемый за его выпрямляющие свойства. Диоды Шоттки часто являются наиболее подходящим типом диодов, когда желательно низкое прямое падение напряжения, например, в высокоэффективном источнике питания постоянного тока . Кроме того, благодаря механизму проводимости основной несущей диоды Шоттки могут достигать большей скорости переключения, чем диоды с p – n переходом, что делает их подходящими для выпрямления высокочастотных сигналов.

Вводя 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 полосы на границе раздела и, таким образом, сопротивление барьеров Шоттки. Обычно наиболее резистивный путь для тока представлен барьерами Шоттки, и поэтому сам канал не вносит значительного вклада в проводимость, когда транзистор включен. Этот тип устройства имеет амбиполярное поведение, поскольку при приложении положительного напряжения к обоим переходам их диаграмма полосы изгибается вниз, обеспечивая прохождение электронного тока от истока к стоку (наличие $VDS {\ displaystyle V_ {DS}}$ $V_{DS}$ всегда подразумевается напряжение) из-за прямого туннелирования. В противоположном случае, когда к обоим переходам приложено отрицательное напряжение, зонная диаграмма изгибается вверх, и можно вводить отверстия и перетекать от стока к истоку. Установка напряжения затвора на 0 В подавляет туннельный ток и разрешает только более низкий ток из-за термоэлектронных событий. Одно из основных ограничений такого устройства сильно связано с наличием этого тока, что затрудняет его правильное выключение. Явным преимуществом такого устройства является то, что нет необходимости в канале легировании и можно избежать дорогостоящих технологических операций, таких как ионная имплантация и высокотемпературный отжиг, сохраняя тепловой бюджет низкий. Однако изгиб полосы из-за разницы напряжений между стоком и затвором часто приводит к достаточному количеству несущих, что делает невозможным правильное выключение устройства. Кроме того, низкие токи включения из-за собственного сопротивления контактов Шоттки типичны для этого типа устройств, так же как и очень жесткая и ненадежная масштабируемость из-за сложного контроля области перехода.

Полосные диаграммы работы SBFET. Слева направо: отрицательное приложенное напряжение изгибает полосную диаграмму, позволяя туннельный ток дырки (p-тип); без приложенного напряжения для носителей допускается только термоэлектронная эмиссия (выключенное состояние); положительное напряжение затвора позволяет электронам туннелировать из-за изгиба полосы вниз (n-тип).

транзистор Шоттки эффективная схема.

A транзистор с биполярным переходом с барьером Шоттки между базой и коллектором известен как транзистор Шоттки. Поскольку напряжение перехода барьера Шоттки невелико, предотвращается слишком глубокое насыщение транзистора, что увеличивает скорость при использовании в качестве переключателя. Это основа для семейств Schottky и Advanced Schottky TTL, а также их вариантов с низкой мощностью.

A MESFET или металл-полупроводник FET использует барьер Шоттки с обратным смещением, чтобы обеспечить область истощения, которая перекрывает проводящий канал, скрытый внутри полупроводника (аналогично JFET, где вместо p – n-переход обеспечивает обедненную область). Вариантом этого устройства является транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT), в котором также используется гетеропереход для создания устройства с чрезвычайно высокой проводимостью.

Барьер Шоттки полевой транзистор из углеродной нанотрубки использует неидеальный контакт между металлом и углеродной нанотрубкой для формирования барьера Шоттки, который можно использовать для изготовления очень маленьких диодов Шоттки, транзисторов и т. Д. аналогичные электронные устройства с уникальными механическими и электронными свойствами.

Барьеры Шоттки также могут быть использованы для характеристики полупроводника. В области обеднения барьера Шоттки легирующие примеси остаются ионизированными и вызывают «объемный заряд», который, в свою очередь, приводит к возникновению емкости перехода. Граница раздела металл-полупроводник и противоположная граница обедненной области действуют как две обкладки конденсатора, при этом обедненная область действует как диэлектрик. Подавая напряжение на переход, можно изменять ширину истощения и изменять емкость, используемую в профилировании напряжения емкости. Анализируя скорость, с которой емкость реагирует на изменения напряжения, можно получить информацию о присадках и других дефектах, метод, известный как переходная спектроскопия глубокого уровня.

Электросмачивание

предмет микрофлюидики, электросмачивание можно наблюдать на переходе металл-полупроводник с помощью капли жидкого металла (ртуть ), покоящаяся на кристаллическом кремнии с образованием барьера Шоттки в электрической установке диода Шоттки. В зависимости от типа легирования и плотности в полупроводнике растекание капли зависит от величины и знака напряжения, приложенного к капле ртути. Этот эффект был назван электросмачиванием Шоттки, эффективно связывающим электросмачивание и эффекты полупроводников.

Изменение высоты барьера Шоттки (SBH)

Встроенные наночастицы при граница раздела металл-полупроводник
Включение наноразмерных частиц на границе раздела контакт / полупроводник может эффективно изменять высоту барьера Шоттки (SBH).
См. Также
Омический контакт
Диод Шоттки
Диод
Состояния зазора, вызванные металлом
Мемристор
Электросмачивание
Ссылки