Переход металл – полупроводник - Metal–semiconductor junction

В физика твердого тела, а переход металл – полупроводник (M – S) это тип электрическое соединение в котором металл входит в тесный контакт с полупроводник материал. Это старейший практический полупроводниковый прибор. M – S-переходы могут быть исправление или же не исправляющий. Выпрямляющий переход металл – полупроводник образует Барьер Шоттки, делая устройство известным как Диод Шоттки, а не выпрямляющий переход называется омический контакт.[1] (Напротив, выпрямляющий переход полупроводник-полупроводник, наиболее распространенный на сегодняшний день полупроводниковый прибор, известен как p – n переход.)

Переходы металл – полупроводник имеют решающее значение для работы всех полупроводниковых устройств. Обычно омический контакт желательно, чтобы электрический заряд мог легко проводиться между активной областью транзистор и внешняя схема. Барьер Шоттки полезно, как в Диоды Шоттки, Транзисторы Шоттки, и полевые транзисторы металл-полупроводник.

Критический параметр: высота барьера Шоттки.

Ленточная диаграмма для перехода металл-полупроводник при нулевом смещении (равновесие). Показано графическое определение Высота барьера Шоттки, ΦB, для пполупроводник как разница между межфазными зона проводимости край EC и Уровень Ферми EF.

Является ли данный переход металл-полупроводник омическим контактом или барьером Шоттки, зависит от высоты барьера Шоттки ΦB, перехода. Для достаточно большой высоты барьера Шоттки, где ΦB значительно выше тепловой энергии kT, полупроводник истощенный рядом с металлом и ведет себя как Барьер Шоттки. При меньшей высоте барьера Шоттки полупроводник не обедняется, а вместо этого образует омический контакт к металлу.

Высота барьера Шоттки определяется по-разному для полупроводников n-типа и p-типа (измеряется от края зоны проводимости и края валентной зоны соответственно). Выравнивание полос полупроводника вблизи перехода обычно не зависит от уровня легирования полупроводника, поэтому п-тип и п-типа Шоттки высоты барьера идеально связаны друг с другом:

куда Eграмм полупроводник запрещенная зона.

На практике высота барьера Шоттки не является точно постоянной по поверхности раздела и изменяется по поверхности раздела.[2]

Правило Шоттки – Мотта и закрепление уровня Ферми.

Правило Шоттки – Мотта: Когда материалы соединяются, полосы в кремнии изгибаются так, что кремний рабочая функция Φ совпадает с серебром. При контакте полосы сохраняют изгиб. Эта модель предсказывает, что у серебра очень низкий барьер Шоттки для п-легированный кремний, обеспечивающий отличный омический контакт.
Показ изображения Пиннинг уровня Ферми эффект от щелочные состояния, индуцированные металлом: Полосы в кремнии уже изначально изогнуты из-за поверхностные состояния. Они снова изгибаются непосредственно перед контактом (для соответствия рабочим функциям). Однако при контакте изгиб полосы полностью изменяется, что зависит от химии соединения Ag-Si.[4]
Ленточные диаграммы для моделей образования соединения серебра и п-дегированный кремний.[3] На практике этот барьер Шоттки приблизительно равен ΦB = 0,8 эВ.
Смотрите также: Щелевые состояния, индуцированные металлом

В Шоттки –Мотт правило образования барьера Шоттки предсказывает высоту барьера Шоттки на основе вакуума рабочая функция металла относительно вакуума электронное сродство (или вакуум энергия ионизации ) полупроводника:

Эта модель основана на мысленном эксперименте по объединению двух материалов в вакууме и логически тесно связана с Правило Андерсона за полупроводник-полупроводник. Различные полупроводники в разной степени соблюдают правило Шоттки – Мотта.[5]

Хотя модель Шоттки – Мотта правильно предсказала существование изгиб ленты в полупроводнике экспериментально было обнаружено, что он дает совершенно неверные предсказания высоты барьера Шоттки. Явление, называемое «пиннингом уровня Ферми», вызвало появление некоторой точки запрещенной зоны, в которой конечные ДОС существует, чтобы быть заблокированным (закрепленным) на уровне Ферми. Это сделало высоту барьера Шоттки почти полностью нечувствительной к работе выхода металла:[5]

куда Eзапрещенная зона это размер запрещенная зона в полупроводнике.

Это было отмечено в 1947 г. Джон Бардин что явление пиннинга уровня Ферми естественно возникло бы, если бы в полупроводнике были заряженные состояния прямо на границе раздела, с энергиями внутри полупроводниковой щели. Они могут возникать либо во время прямого химического связывания металла и полупроводника (щелочные состояния, индуцированные металлом ) или уже присутствовать на поверхности полупроводник – вакуум (поверхностные состояния ). Эти высокоплотные поверхностные состояния могут поглощать большое количество заряда, передаваемого из металла, эффективно экранируя полупроводник от деталей металла. В результате полосы полупроводника обязательно будут выровнены по месту относительно поверхностных состояний, которые, в свою очередь, закреплены на уровне Ферми (из-за их высокой плотности), и все это без влияния металла.[3]

Эффект пиннинга уровня Ферми является сильным во многих коммерчески важных полупроводниках (Si, Ge, GaAs),[5] и, таким образом, может быть проблематичным при разработке полупроводниковых устройств. Например, почти все металлы образуют значительный барьер Шоттки для п-тип германий и омический контакт к п-типа германия, поскольку край валентной зоны сильно закреплен на уровне Ферми металла.[6] Решение этой негибкости требует дополнительных этапов обработки, таких как добавление промежуточного изоляционного слоя для открепления лент. (В случае германия нитрид германия был использован[7])

История

Выпрямляющее свойство контактов металл – полупроводник было обнаружено Фердинанд Браун в 1874 г. Меркурий металл контактировал с сульфид меди и сульфид железа полупроводники.[8] Сэр Джагадиш Чандра Бос подал заявку на патент США на диод металл-полупроводник в 1901 году. Этот патент был получен в 1904 году.

G.W. Pickard получил патент в 1906 г. на точечный выпрямитель с помощью кремний. В 1907 г. Джордж У. Пирс опубликовал статью в Физический обзор показывая ректификационные свойства диоды сделан распыление многие металлы на многих полупроводниках.[9] Использование диодного выпрямителя металл – полупроводник было предложено Лилиенфельд в 1926 году в первом из трех его патентов на транзисторы в качестве ворот полевые транзисторы металл – полупроводник.[10] Теория полевой транзистор использование металлического / полупроводникового затвора было продвинуто Уильям Шокли в 1939 г.

Первые диоды металл-полупроводник в электроника применение произошло около 1900 г., когда выпрямители для кошачьих усов использовались в приемники.[11] Они состояли из заостренной вольфрамовой проволоки (в форме кошачьего уса), кончик или острие которой прижималось к поверхности галенит (сульфид свинца) кристалл. Первый выпрямитель большой площади появился примерно в 1926 году и состоял из оксид меди (I) полупроводник, термически выращенный на меди субстрат. Впоследствии селен фильмы были испарился на большие металлические подложки для формирования выпрямительных диодов. Эти селеновые выпрямители использовались (и используются до сих пор) для преобразования переменного тока в постоянный в электроэнергетике. В 1925–1940 гг. Диоды, состоящие из заостренных вольфрам металлический провод в контакте с кремний кристаллическую основу, были изготовлены в лабораториях для обнаружения микроволны в УВЧ классифицировать. Программа времен Второй мировой войны по производству кремния высокой чистоты в качестве кристаллической основы для точечного выпрямителя была предложена Фредерик Зейтц в 1942 г. и успешно осуществлена ​​Опытной станцией Компания E. I du Pont de Nemours.

Первая теория, предсказывающая правильное направление выпрямления перехода металл – полупроводник, была дана Невилл Мотт в 1939 году. Он нашел решение как для распространение и дрейф токи большинство перевозчиков через полупроводниковый слой поверхностного пространственного заряда, известный примерно с 1948 года как барьер Мотта. Уолтер Х. Шоттки и Спенке расширили теорию Мотта, включив донора ион чей плотность пространственно постоянна через поверхностный слой полупроводника. Это изменило константу электрическое поле предполагалось Моттом в линейно спадающее электрическое поле. Этот слой объемного заряда полупроводника под металлом известен как Барьер Шоттки. Похожая теория была предложена также Давыдов в 1939 году. Хотя это дает правильное направление выпрямления, было также доказано, что теория Мотта и ее расширение Шоттки-Давыдова дает неправильный механизм ограничения тока и неправильные формулы вольт-амперной характеристики в выпрямителях с кремниевым диодом на металлическом / полупроводниковом диоде. Правильная теория была разработана Ганс Бете и сообщил им в M.I.T. Отчет радиационной лаборатории от 23 ноября 1942 г. По теории Бете, ток ограничен термоэлектронная эмиссия из электроны над потенциальным барьером металл – полупроводник. Таким образом, подходящим названием для диода металл-полупроводник должно быть диод Бете, а не диод. Диод Шоттки, поскольку теория Шоттки неверно предсказывает характеристики современных металл-полупроводниковых диодов.[12]

Если переход металл-полупроводник образуется путем размещения капля из Меркурий, так как Браун сделал, на полупроводник, напримеркремний, чтобы сформировать Барьер Шоттки в Диод Шоттки электрическая установка - электросмачивание можно наблюдать, когда капля растекается с увеличением напряжения. В зависимости от допинг Тип и плотность в полупроводнике, растекание капли зависит от величины и знака напряжения, приложенного к капле ртути.[13] Этот эффект получил название «электросмачивание Шоттки», эффективно связывающий электросмачивание и эффекты полупроводников.[14]

В МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) был изобретен Мохамед Аталла и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году и представлен в 1960 году. Они расширили свою работу над MOS-технологией, выполнив новаторскую работу по горячий носитель устройства, в которых использовалось то, что позже было названо барьером Шоттки.[15] Диод Шоттки, также известный как диод с барьером Шоттки, теоретизировался в течение многих лет, но впервые был реализован на практике в результате работ Аталлы и Канга в 1960–1961 годах.[16] Они опубликовали свои результаты в 1962 году и назвали свое устройство триодной структурой «горячих электронов» с эмиттером полупроводник-металл.[17] Это был один из первых транзисторов на металлической основе.[18] Аталла продолжил исследования диодов Шоттки с Робертом Дж. Арчером в HP Associates. Они развили высокие вакуум металлическая пленка отложение технологии,[19] и изготовил конюшню испарился /брызнул контакты,[20][21] опубликовав свои результаты в январе 1963 г.[22] Их работа была прорывом в области перехода металл – полупроводник.[20] и исследования барьера Шоттки, поскольку он преодолел большую часть изготовление проблемы, присущие точечные диоды и позволил создать практичные диоды Шоттки.[19]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Полупроводниковые приборы: моделирование и технологии, Нандита Дасгупта, Амитава Дасгупта. (2004) ISBN  81-203-2398-Х.
  2. ^ http://academic.brooklyn.cuny.edu/physics/tung/Schottky/inhomo.htm
  3. ^ а б Бардин, Дж. (1947). «Поверхностные состояния и выпрямление при контакте металлического полупроводника». Физический обзор. 71 (10): 717–727. Bibcode:1947ПхРв ... 71..717Б. Дои:10.1103 / PhysRev.71.717.
  4. ^ Тунг, Р. (2001). «Формирование электрического диполя на границах раздела металл-полупроводник». Физический обзор B. 64 (20): 205310. Bibcode:2001ПхРвБ..64т5310Т. Дои:10.1103 / PhysRevB.64.205310.
  5. ^ а б c http://academic.brooklyn.cuny.edu/physics/tung/Schottky/systematics.htm
  6. ^ Nishimura, T .; Кита, К .; Ториуми, А. (2007). «Доказательства сильного пиннинга уровня Ферми из-за индуцированных металлом щелочных состояний на границе металл / германий». Письма по прикладной физике. 91 (12): 123123. Bibcode:2007АпФЛ..91л3123Н. Дои:10.1063/1.2789701.
  7. ^ Lieten, R. R .; Degroote, S .; Kuijk, M .; Боргс, Г. (2008). «Образование омического контакта на Ge n-типа». Письма по прикладной физике. 92 (2): 022106. Bibcode:2008АпФЛ..92б2106Л. Дои:10.1063/1.2831918.
  8. ^ Браун, Ф. (1874), "Ueber die Stromleitung durch Schwefelmetalle" [О токопроводимости через сульфиды металлов], Annalen der Physik und Chemie (на немецком), 153 (4): 556–563, Bibcode:1875АнП ... 229..556Б, Дои:10.1002 / andp.18752291207
  9. ^ Пирс, Г. В. (1907). «Кристаллические выпрямители электрического тока и электрических колебаний. Часть I. Карборунд» (PDF). Физический обзор. Серия I. 25 (1): 31–60. Bibcode:1907ФРви..25 ... 31П. Дои:10.1103 / PhysRevSeriesI.25.31.
  10. ^ США 1745175  «Способ и устройство для контроля электрического тока» впервые подано в Канаде 22.10.1925.
  11. ^ США 755840, Бозе, Джагадис Чундер, "Детектор электрических помех", опубликованный 30 сентября 1901 г., выпущенный 29 марта 1904 г. 
  12. ^ Сах, Чжи-Тан (1991). Основы твердотельной электроники. World Scientific. ISBN  9810206372.
  13. ^ С. Арскотт и М. Годе "Электросмачивание на переходе жидкий металл-полупроводник" Appl. Phys. Lett. 103, 074104 (2013). Дои:10.1063/1.4818715
  14. ^ Успехи РКЦ С. Арскотта "Электросмачивание и полупроводники" 4, 29223 (2014). Дои:10.1039 / C4RA04187A
  15. ^ Бассетт, Росс Нокс (2007). К веку цифровых технологий: исследовательские лаборатории, начинающие компании и развитие MOS-технологий. Издательство Университета Джона Хопкинса. п. 328. ISBN  9780801886393.
  16. ^ Закон о реорганизации промышленности: отрасль связи. Типография правительства США. 1973. с. 1475.
  17. ^ Аталла, М .; Канг Д. (ноябрь 1962 г.). «Новая триодная структура« Горячих электронов »с эмиттером полупроводник-металл». IRE-транзакции на электронных устройствах. 9 (6): 507–508. Дои:10.1109 / T-ED.1962.15048. ISSN  0096-2430.
  18. ^ Каспер, Э. (2018). Кремний-молекулярно-лучевая эпитаксия. CRC Press. ISBN  9781351093514.
  19. ^ а б Сигел, Питер Х .; Керр, Энтони Р .; Хван, Вэй (март 1984 г.). Технический документ НАСА 2287: Темы оптимизации смесителей миллиметрового диапазона (PDF). НАСА. С. 12–13.
  20. ^ а б Баттон, Кеннет Дж. (1982). Инфракрасные и миллиметровые волны V6: системы и компоненты. Эльзевир. п. 214. ISBN  9780323150590.
  21. ^ Ананд Ю. (2013). "Микроволновые диоды с барьером Шоттки". Переходы металл-полупроводник с барьером Шоттки и их применение. Springer Science & Business Media. п. 220. ISBN  9781468446555.
  22. ^ Арчер, Р. Дж .; Аталла, М. М. (январь 1963 г.). «Контакты металлов на поверхности скола кремния». Летопись Нью-Йоркской академии наук. 101 (3): 697–708. Дои:10.1111 / j.1749-6632.1963.tb54926.x. ISSN  1749-6632.

дальнейшее чтение

  • Streetman, Бен Дж .; Банерджи, Санджай Кумар (2016). Твердотельные электронные устройства. Бостон: Пирсон. п. 251-257. ISBN  978-1-292-06055-2. OCLC  908999844.