Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен из закрепления уровня Ферми )
Перейти к навигации Перейти к поиску

В физике твердого тела , А металл-полупроводник (М-S) , узел представляет собой тип электрического стыка , в котором металл приходит в тесном контакте с полупроводниковым материалом. Это старейшее практическое полупроводниковое устройство . Переходы M – S могут быть выпрямляющими или непрямыми . Выпрямительный переход металл-полупроводник образует барьер Шоттки , в результате чего получается устройство, известное как диод Шоттки , а не выпрямительный переход называется омическим контактом . [1] (Напротив, выпрямляющий переход полупроводник-полупроводник, наиболее распространенный сегодня полупроводниковый прибор, известен как p − n-переход .)

Переходы металл – полупроводник имеют решающее значение для работы всех полупроводниковых устройств. Обычно желателен омический контакт , чтобы электрический заряд мог легко проводиться между активной областью транзистора и внешней схемой. Изредка однако барьер Шоттки является полезным, так как в диодах Шоттки , транзисторы Шоттки , и металл-полупроводник полевых транзисторов .

Критический параметр: высота барьера Шоттки [ править ]

Зонная диаграмма перехода металл-полупроводник при нулевом смещении (равновесие). Показано графическое определение высоты барьера Шоттки , Φ B , для п - типа полупроводника как разность между межфазной зоной проводимости кромкой Е C и уровень Ферми Е F .

Является ли данный переход металл-полупроводник омическим контактом или барьером Шоттки, зависит от высоты барьера Шоттки Φ B перехода. При достаточно большой высоте барьера Шоттки, когда Φ B значительно превышает тепловую энергию kT , полупроводник обедняется вблизи металла и ведет себя как барьер Шоттки . При более низкой высоте барьера Шоттки полупроводник не истощается, а вместо этого образует омический контакт с металлом.

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 высоты барьеров Шоттки n- типа и p- типа идеально связаны друг с другом:

где E g - ширина запрещенной зоны полупроводника .

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 [ править ]

Изображение, показывающее эффект пиннинга уровня Ферми из -за индуцированных металлом щелочных состояний : полосы в кремнии уже начинают изгибаться из-за поверхностных состояний . 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]
Зонные диаграммы для моделей образования перехода между серебром и n- легированным кремнием. [3] На практике этот барьер Шоттки составляет приблизительно Φ B  = 0,8 эВ.
Смотрите также: индуцированные металлом состояния щели

Шоттки - Мотта правило формирования барьера Шоттки предсказывает высоту барьера Шоттки , основанный на вакуумной работы выхода металла по отношению к вакуумным электронным сродством (или вакуумной энергии ионизации ) полупроводника:

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

Хотя модель Шоттки-Мотта правильно предсказала существование изгиба зон в полупроводнике, экспериментально было обнаружено, что она дает совершенно неверные предсказания высоты барьера Шоттки. Явление, называемое «пиннингом уровня Ферми», привело к тому, что некоторая точка запрещенной зоны, в которой существует конечная плотность состояний , была заперта (закреплена) на уровне Ферми. Это сделало высоту барьера Шоттки почти полностью нечувствительной к работе выхода металла: [5]

где E ширина запрещенной зоны - размер запрещенной зоны в полупроводнике.

Фактически, эмпирически установлено, что ни одна из вышеперечисленных крайностей не является совершенно правильной. Выбор металла действительно имеет некоторое влияние, и, по-видимому, существует слабая корреляция между работой выхода металла и высотой барьера, однако влияние работы выхода составляет лишь часть того, что предсказывается правилом Шоттки-Мотта. [6] : 143

В 1947 году Джон Бардин отметил, 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 либо были бы индуцированы во время прямого химического связывания металла и полупроводника ( щелевые состояния, индуцированные металлом ), либо уже присутствовали бы на поверхности полупроводник – вакуум ( поверхностные состояния). Эти высокоплотные поверхностные состояния могут поглощать большое количество заряда, передаваемого из металла, эффективно защищая полупроводник от деталей металла. В результате полосы полупроводника обязательно будут выровнены по местоположению 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 германия n- типа и омический контакт для германия p- типа, поскольку край валентной зоны сильно закреплен на уровне Ферми металла. [7] Решение этой негибкости требует дополнительных этапов обработки, таких как добавление промежуточного изоляционного слоя для открепления лент. (В случае германия, германий нитрида был использован [8] )

История [ править ]

Ректификации свойство металла-полупроводник контактов было обнаружено Ferdinand Braun в 1874 году с использованием ртути металла контактирует с сульфидной медью и сульфид железа полупроводников. [9] Сэр Джагадиш Чандра Бозе подал заявку на патент США на диод металл-полупроводник в 1901 году. Этот патент был получен в 1904 году.

В 1906 году GW Pickard получил патент на выпрямитель с точечным контактом, использующий кремний . В 1907 году Джордж У. Пирс опубликовал в Physical Review статью, показывающую выпрямляющие свойства диодов, изготовленных путем распыления многих металлов на многие полупроводники. [10] Использование диодного выпрямителя металл-полупроводник было предложено Лилиенфельдом в 1926 году в первом из его трех патентов на транзисторы в качестве затвора полевых транзисторов металл-полупроводник . [11] Теория полевого транзистора.Использование затвора металл / полупроводник было предложено Уильямом Шокли в 1939 году.

Первые металл-полупроводниковые диоды в электронике появились примерно в 1900 году, когда в приемниках использовались выпрямители « кошачьи усы» . [12] Они состояли из заостренной вольфрамовой проволоки (в форме кошачьего уса), кончик или острие которой прижималось к поверхности кристалла галенита (сульфида свинца). Первый выпрямитель с большой площадью появился примерно в 1926 году и состоял из полупроводника на основе оксида меди (I), термически выращенного на медной подложке . Затем пленки селена напылялись на большие металлические подложки, чтобы сформировать выпрямительные диоды. Эти селеновые выпрямителииспользовались (и используются до сих пор) для преобразования переменного тока в постоянный в электроэнергетике. В течение 1925–1940 годов в лабораториях были изготовлены диоды, состоящие из заостренной металлической вольфрамовой проволоки, контактирующей с основанием из кристалла кремния , для обнаружения микроволн в диапазоне УВЧ . Программа времен Второй мировой войны по производству кремния высокой чистоты в качестве кристаллической основы для точечного выпрямителя была предложена Фредериком Зейтцем в 1942 году и успешно реализована на экспериментальной станции компании E. I du Pont de Nemours .

Первая теория, предсказывающая правильное направление выпрямления перехода металл-полупроводник, была предложена Невиллом Моттом в 1939 году. Он нашел решение как для диффузионных, так и для дрейфовых токов основных носителей заряда через слой поверхностного пространственного заряда полупроводника, что было известно примерно с 1948 г. как барьер Мотта. Уолтер Х. Шоттки и Спенке расширили теорию Мотта, включив в нее донорный ион , плотность которого пространственно постоянна через поверхностный слой полупроводника. Это изменило постоянное электрическое полепредполагалось Моттом в линейно затухающее электрическое поле. Этот полупроводниковый слой пространственного заряда под металлом известен как барьер Шоттки . Похожая теория была также предложена Давыдовым в 1939 году. Хотя она дает правильное направление выпрямления, также было доказано, что теория Мотта и ее расширение Шоттки-Давыдова дает неправильный механизм ограничения тока и неправильные вольт-амперные формулы в металлическом кремнии. / полупроводниковые диодные выпрямители. Правильная теория была разработана Гансом Бете и сообщил им в MIT Доклад Radiation Laboratory от 23 ноября 1942 г. В теории Бете, ток ограничивается термоэлектронной эмиссии из электроновнад потенциальным барьером металл – полупроводник. Таким образом, подходящим названием для диода металл-полупроводник должно быть диод Бете, а не диод Шоттки , поскольку теория Шоттки не может правильно предсказывать характеристики современного диода металл-полупроводник. [13]

Если металл-полупроводник образуется путем размещения капли из ртути , так как Браун сделал, на полупроводник, например , кремний , для образования барьера Шоттки в диоде Шотки электрической установки - электросмачиванию можно наблюдать, когда капельные растекаюсь с увеличением Напряжение. В зависимости от типа легирования и плотности в полупроводнике растекание капли зависит от величины и знака напряжения, приложенного к капле ртути. [14] Этот эффект был назван «электросмачиванием Шоттки», эффективно связывающим электросмачивание и полупроводниковые эффекты. [15]

МОП - транзистор (металл-оксид-полупроводник полевой транзистор) был изобретен Mohamed Atalla и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году, и представлены в 1960 г. Они расширили свою работу по МОП технологии , чтобы сделать новаторскую работу на горячих несущих устройств, которые используются то, что позже будет называться барьером Шоттки. [16] 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. [17] Они опубликовали свои результаты в 1962 году и назвали свое устройство триодной структурой «горячих электронов» с эмиттером полупроводник-металл. [18]Это был один из первых транзисторов на металлической основе. [19] Аталла продолжил исследования диодов Шоттки с Робертом Дж. Арчером из HP Associates . Они разработали высокого вакуума металлической пленки осаждения технологии, [20] и изготовленную стабильной упаривают / распыляемые контакты , [21] [22] публиковать свои результаты в январе 1963 г. [23] Их работа была прорывом в металл-полупроводник [21] и Исследование барьера Шоттки, поскольку с его помощью удалось преодолеть большинство производственных проблем, присущих точечным диодам.и позволил построить практичные диоды Шоттки. [20]

См. Также [ править ]

  • Барьер Шоттки

Ссылки [ править ]

  1. ^ Полупроводниковые устройства: моделирование и технология , Нандита Дасгупта, Амитава Дасгупта. (2004) ISBN  81-203-2398-X .
  2. ^ http://academic.brooklyn.cuny.edu/physics/tung/Schottky/inhomo.htm
  3. ^ a b Бардин, Дж. (1947). «Поверхностные состояния и выпрямление при контакте металлического полупроводника». Физический обзор . 71 (10): 717–727. Полномочный код : 1947PhRv ... 71..717B . DOI : 10.1103 / PhysRev.71.717 .
  4. Перейти ↑ Tung, R. (2001). «Формирование электрического диполя на границах раздела металл-полупроводник». Physical Review B . 64 (20): 205310. Bibcode : 2001PhRvB..64t5310T . DOI : 10.1103 / PhysRevB.64.205310 .
  5. ^ а б в http://academic.brooklyn.cuny.edu/physics/tung/Schottky/systematics.htm
  6. ^ Зи С. Нг, Квок K. (2007). Физика полупроводниковых приборов . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-14323-9. OCLC  488586029 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  7. ^ Nishimura, T .; Кита, К .; Ториуми, А. (2007). «Доказательства сильного пиннинга уровня Ферми из-за индуцированных металлом состояний щели на границе раздела металл / германий». Письма по прикладной физике . 91 (12): 123123. Bibcode : 2007ApPhL..91l3123N . DOI : 10.1063 / 1.2789701 .
  8. ^ Lieten, RR; Degroote, S .; Kuijk, M .; Боргс, Г. (2008). «Формирование омического контакта на Ge n-типа» . Письма по прикладной физике . 92 (2): 022106. Bibcode : 2008ApPhL..92b2106L . DOI : 10.1063 / 1.2831918 .
  9. ^ Браун, Ф. (1874), «Ueber die Stromleitung durch Schwefelmetalle» [О проводимости тока через сульфиды металлов], Annalen der Physik und Chemie (на немецком языке), 153 (4): 556–563, Bibcode : 1875AnP ... 229..556B , DOI : 10.1002 / andp.18752291207
  10. ^ Пирс, GW (1907). «Кристаллические выпрямители электрического тока и электрических колебаний. Часть I. Карборунд» . Физический обзор . Серия I. 25 (1): 31–60. Bibcode : 1907PhRvI..25 ... 31Р . DOI : 10.1103 / PhysRevSeriesI.25.31 .
  11. ^ US 1745175  «Способ и устройство для управления электрическим током», впервые подано в Канаде 22.10.1925.
  12. ^ США 755840 , Bose, Jagadis Chunder , "детектор для электрических помех", опубликованных 30 сентября 1901, выпущенных 29 марта 1904 
  13. ^ С, Чжи-Tang (1991). Основы твердотельной электроники . World Scientific. ISBN 9810206372.
  14. ^ С. Арскотт и М. Годе "Электросмачивание на переходе жидкий металл-полупроводник" Appl. Phys. Lett. 103 , 074104 (2013). DOI : 10,1063 / 1,4818715
  15. ^ С. Арскотт "Электросмачивание и полупроводники" RSC Advances 4 , 29223 (2014). DOI : 10.1039 / C4RA04187A
  16. ^ Бассетт, Росс Нокс (2007). К эпохе цифровых технологий: исследовательские лаборатории, начинающие компании и рост MOS-технологий . Издательство Университета Джона Хопкинса . п. 328. ISBN 9780801886393.
  17. ^ Закон о промышленной реорганизации: отрасль связи . Типография правительства США . 1973. с. 1475.
  18. ^ 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. Bibcode : 1962ITED .... 9..507A . DOI : 10,1109 / Т-ED.1962.15048 . ISSN 0096-2430 . S2CID 51637380 .  
  19. Перейти ↑ Kasper, E. (2018). Кремний-молекулярно-лучевая эпитаксия . CRC Press . ISBN 9781351093514.
  20. ^ a b 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.
  21. ^ a b Кнопка, Кеннет Дж. (1982). Инфракрасные и миллиметровые волны V6: системы и компоненты . Эльзевир . п. 214. ISBN 9780323150590.
  22. Перейти ↑ Anand, Y. (2013). "Микроволновые диоды с барьером Шоттки" . Переходы металл-полупроводник с барьером Шоттки и их применения . Springer Science & Business Media . п. 220. ISBN 9781468446555.
  23. ^ Арчер, RJ; Аталла, MM (январь 1963 г.). «Контакты металлов на сколотых поверхностях кремния». Летопись Нью-Йоркской академии наук . 101 (3): 697–708. Bibcode : 1963NYASA.101..697A . DOI : 10.1111 / j.1749-6632.1963.tb54926.x . ISSN 1749-6632 . S2CID 84306885 .  

Дальнейшее чтение [ править ]

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