Барьер Шоттки - Schottky barrier

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

Ленточная диаграмма за пполупроводниковый барьер Шоттки при нулевом смещении (равновесие) с графическим определением Высота барьера Шоттки, Φ_B, как разница между межфазными зона проводимости край E_C и Уровень Ферми E_F. [Для п-типа барьера Шоттки, Φ_B разница между E_F а край валентной зоны E_V.]

А Барьер Шоттки, названный в честь Уолтер Х. Шоттки, это потенциальная энергия барьер для электронов, образующийся на переход металл – полупроводник. Барьеры Шоттки имеют исправление характеристики, пригодные для использования в качестве диод. Одной из основных характеристик барьера Шоттки является высота барьера Шоттки, обозначаемая Φ_B (см. рисунок). Значение 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 омический контакт.

Физика образования

Основная статья: Переход металл-полупроводник

Когда металл находится в прямом контакте с полупроводником, может образовываться так называемый барьер Шоттки, приводящий к выпрямляющему поведению электрического контакта. Это случается и тогда, когда полупроводник n-тип и это рабочая функция меньше работы выхода металла, а когда полупроводник р-тип и имеет место противоположное соотношение между работой выхода.^[3]

На основе описания образования барьера Шоттки через ленточная диаграмма формализма, есть три основных предположения:^[4]

1. Контакт между металлом и полупроводником должен быть плотным и без присутствия какого-либо другого слоя материала (например, оксида).
2. Не учитывается взаимная диффузия металла и полупроводника.
3. На границе раздела между двумя материалами отсутствуют примеси.

В первом приближении барьер между металлом и полупроводником предсказывается формулой Правило Шоттки-Мотта быть пропорциональным разности металл-вакуум рабочая функция и полупроводник-вакуум электронное сродство. Для изолированного металла рабочая функция ${\displaystyle \Phi _{M}}$ определяется как разница между его энергия вакуума ${\displaystyle E_{0}}$ (т.е. минимальная энергия, которой должен обладать электрон, чтобы полностью освободиться от материала) и Энергия Ферми ${\displaystyle E_{F}}$, и это инвариантное свойство указанного металла:

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

С другой стороны, работа выхода полупроводника определяется как:

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

Где ${\displaystyle \chi }$ это электронное сродство (т.е. разница между энергия вакуума и уровень энергии зона проводимости ). Очень важно описать работу выхода полупроводника с точки зрения его сродства к электрону, поскольку последнее является инвариантным фундаментальным свойством полупроводника, а разница между зоной проводимости и энергией Ферми зависит от допинг.

Диаграммы зон 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 в зависимости от значений работы выхода. Это приводит к созданию энергетического барьера, поскольку на границе раздела материалов собирается некоторый заряд. Для электронов высота барьера ${\displaystyle \Phi _{B_{n}}}$легко вычисляется как разница между работой выхода металла и сродством к электрону полупроводника:

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

В то время как высота барьера для дырок получается равной разнице между запрещенной зоной полупроводника и энергетическим барьером для электронов:

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

На самом деле может случиться 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 происходит из-за того, что химическое соединение полупроводникового кристалла с металлом создает электронные состояния внутри его. запрещенная зона. Природа этих щелочные состояния, индуцированные металлом и их заполнение электронами стремится закрепить центр запрещенной зоны на уровне Ферми - эффект, известный как Пиннинг 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.^[5] Это демонстрируют разные полупроводники. Пиннинг уровня Ферми в разной степени, но технологическим последствием является то, что омические контакты обычно трудно сформировать 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, если его форма позволяет это. В термоэлектронная эмиссия можно сформулировать так:

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

В то время как туннелирование плотность тока может быть выражена для барьера треугольной формы (учитывая Приближение ВКБ ) в качестве:

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

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

Выпрямляющие свойства

В выпрямляющем барьере Шоттки этот барьер достаточно высок, чтобы область истощения в полупроводнике, рядом с границей раздела. Это придает барьеру высокое сопротивление при приложении к нему малых смещений напряжения. электрический ток прохождение через барьер в основном регулируется законами термоэлектронная эмиссия, в сочетании с тем, что барьер Шоттки фиксирован относительно уровня Ферми металла.^[6]

Прямое смещение: термически возбужденные электроны могут проникать в металл.

Обратное смещение: барьер слишком высок для термически возбужденных электронов, чтобы попасть в зону проводимости из металла.

• При прямом смещении в полупроводнике имеется много термически возбужденных электронов, которые могут проходить через барьер. Прохождение этих электронов через барьер (без возврата электронов) соответствует току в противоположном направлении. Ток нарастает 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 Уравнение диода Шокли ); однако ток постепенно растет с обратным смещением из-за слабого понижения барьера (аналогично вакуумному Эффект Шоттки ). При очень больших смещениях область истощения выходит из строя.

Примечание: приведенное выше обсуждение относится к барьеру Шоттки для пполупроводник -типа; аналогичные соображения применимы к пполупроводник -типа.

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

Для очень высокого барьера Шоттки (в данном случае почти такого же, как ширина запрещенной зоны), прямой ток смещения переносится за счет инжекции неосновных носителей заряда (белая стрелка показывает инжекцию электронная дыра в валентную зону полупроводника).

Введение миноритарного носителя

Для очень высоких барьеров Шоттки, где Φ_B составляет значительную часть запрещенная зона В полупроводнике прямой ток смещения может вместо этого проходить «под» барьером Шоттки в качестве неосновных носителей в полупроводнике.^[8]

Пример этого можно увидеть в Точечный транзистор.

Устройства

А Диод Шоттки представляет собой одиночный переход металл-полупроводник, используемый из-за его выпрямляющих свойств. Диоды Шоттки часто являются наиболее подходящим типом диодов, когда низкий прямой падение напряжения желательно, например, в высокоэффективном DC источник питания.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 затвора, 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 ленточная диаграмма изогнут вниз, позволяя току электронов от истока к стоку (наличие ${\displaystyle V_{DS}}$ всегда подразумевается напряжение) из-за прямого туннелирование. В противоположном случае, когда к обоим переходам приложено отрицательное напряжение, зонная диаграмма изгибается вверх, и отверстия могут вводиться и течь от стока к истоку. Установка напряжения затвора на 0 В подавляет туннельный ток и позволяет только более низкий ток из-за термоэлектронный События. Одно из основных ограничений такого устройства сильно связано с наличием этого тока, который затрудняет его правильное выключение. Явным преимуществом такого устройства является отсутствие необходимости в канальном допинг и дорогостоящие технологические шаги, такие как ионная имплантация и высокотемпературные отжиги можно избежать, сохранив низкий тепловой баланс. 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.

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

Транзистор шоттки эффективная схема.

А биполярный переходной транзистор с барьером Шоттки между основанием 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 Schottky и Advanced Schottky TTL семьи, а также их низкие мощность варианты.

А MESFET или металл – полупроводник FET использует барьер Шоттки с обратным смещением для создания обедненной области, которая отсекает проводящий канал, скрытый внутри полупроводника (аналогично JFET где вместо p – n переход обеспечивает область истощения). Вариантом этого устройства является транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT), который также использует гетеропереход чтобы обеспечить устройство с чрезвычайно высокой проводимостью.

Барьер Шоттки углеродные нанотрубки FET использует неидеальный контакт между металлом и углеродной нанотрубкой, чтобы сформировать барьер Шоттки, который можно использовать для изготовления очень маленьких диодов Шоттки, транзисторов и подобных электронных устройств с уникальными механическими и электронными свойствами.

Барьеры Шоттки также можно использовать для характеристики полупроводника. область истощения барьера Шоттки легирующие примеси остаются ионизированными и вызывают «пространственный заряд», который, в свою очередь, вызывает емкость перехода. Граница раздела металл-полупроводник и противоположная граница обедненной области действуют как две обкладки конденсатора с область истощения действуя как диэлектрик.При подаче напряжения на переход можно изменять ширина истощения и варьировать емкость, используемую в измерение емкостного напряжения.По анализу скорость при котором емкость реагирует на изменения напряжения, можно получить информацию о присадках и других дефектах, метод, известный как нестационарная спектроскопия глубокого уровня.

Электросмачивание

В теме микрофлюидика, электросмачивание можно наблюдать на переход металл-полупроводник используя капля из жидкий металл (Меркурий ) опираясь на кристаллический кремний сформировать барьер Шоттки в Диод Шоттки электрическая установка. В зависимости от допинг Тип и плотность в полупроводнике, растекание капли зависит от величины и знака напряжения, приложенного к капле ртути. Этот эффект получил название Электросмачивание Шоттки, эффективно связывая эффекты электросмачивания и полупроводников.^[9][10]

Изменение высоты барьера Шоттки (SBH)

Встроенный наночастицы на интерфейсе переход металл – полупроводник

Включение наноразмерных частиц на границе контакта /полупроводник интерфейс может эффективно изменять высоту барьера Шоттки (SBH).^[11]

Смотрите также

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

Рекомендации

1. Тунг, Раймонд Т. (2014). «Физика и химия высоты барьера Шоттки». Обзоры прикладной физики. 1 (1): 011304. Дои:10.1063/1.4858400. ISSN  1931-9401.
2. Учебник по барьеру Шоттки. Смотрите также переход металл-полупроводник.
3. Мюллер, Ричард С .; Каминс, Теодор I. (2003). Электроника для интегрированных устройств (3-е изд.). Вайли. п. 170. ISBN  9780471428770.
4. Сзе, С. М. Нг, Квок К. (2007). Физика полупроводниковых приборов. Джон Вили и сыновья. п. 135. ISBN  0-471-14323-5. OCLC  488586029.
5. "Корреляция и систематика высоты барьера".
6. Это толкование связано с Ганс Бете, после неверной теории Шоттки см. Сах, Чжи-Тан (1991). Основы твердотельной электроники. World Scientific. ISBN  978-9810206376.
7. Балкански, М .; Уоллис, Р.Ф. (2000). Физика полупроводников и приложения. Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0198517405.
8. Шарфеттер, Д. Л. (1965). «Инжекция неосновных носителей заряда и накопление заряда в эпитаксиальных диодах с барьером Шоттки». Твердотельная электроника. 8 (3): 299–311. Дои:10.1016/0038-1101(65)90146-2.
9. С. Арскотт и М. Годе "Электросмачивание на переходе жидкий металл-полупроводник" Appl. Phys. Lett. 103, 074104 (2013). Дои:10.1063/1.4818715
10. Успехи РКЦ С. Арскотта "Электросмачивание и полупроводники" 4, 29223 (2014). Дои:10.1039 / C4RA04187A
11. Gorji, S .; Cheong, K.Y. (2015). «Встроенные наночастицы в шоттки и омические контакты: обзор». Общественные обзоры по твердому телу и материаловедению. 40 (4): 197–222. Дои:10.1080/10408436.2014.940444.