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.
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.
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 ( индуцированные металлом щелевые состояния ), 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
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 с использованием затвора металл / полупроводник была выдвинута 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 выпрямители использовались (и используются до сих пор) для преобразования переменного тока в постоянный в электроэнергетических приложениях. 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 поле, принятое Моттом, на 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 сообщает его в MIT отчет радиационной лаборатории от 23 ноября 1942 г. В теории Бете, ток ограничивается термоэлектронной эмиссии из электронов через потенциальный барьер 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 оно преодолело большинство производственных проблем, присущих точечным диодам, и сделало возможным создание практических диодов Шоттки. [20]
Смотрите также
- Барьер Шоттки
Рекомендации
- ^ Полупроводниковые устройства: моделирование и технология , Нандита Дасгупта, Амитава Дасгупта. (2004) ISBN 81-203-2398-X .
- ^ http://academic.brooklyn.cuny.edu/physics/tung/Schottky/inhomo.htm
- ^ а б 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 .
- ^ Тунг, Р. (2001). «Формирование электрического диполя на границах раздела металл-полупроводник». Physical Review B . 64 (20): 205310. Bibcode : 2001PhRvB..64t5310T . DOI : 10.1103 / PhysRevB.64.205310 .
- ^ а б в http://academic.brooklyn.cuny.edu/physics/tung/Schottky/systematics.htm
- ^ Сзе, С.М. Нг, Квок К. (2007). Физика полупроводниковых приборов . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-14323-9. OCLC 488586029 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Nishimura, T .; Кита, К .; Toriumi, A. (2007). «Доказательства сильного пиннинга уровня Ферми из-за индуцированных металлом состояний щели на границе металл / германий». Письма по прикладной физике . 91 (12): 123123. Bibcode : 2007ApPhL..91l3123N . DOI : 10.1063 / 1.2789701 .
- ^ 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 .
- ^ 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
- ^ 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 .
- ^ США 1745175 «Способ и устройство для управления электрическим током» впервые подано в Канаде 22.10.1925.
- ^ США 755840 , Bose, Jagadis Chunder , "детектор для электрических помех", опубликованных 30 сентября 1901, выпущенных 29 марта 1904
- ^ Сах, Чжи-Тан (1991). Основы твердотельной электроники . World Scientific. ISBN 9810206372.
- ^ С. Арскотт и М. Годе "Электросмачивание на переходе жидкий металл-полупроводник" Appl. Phys. Lett. 103 , 074104 (2013). DOI : 10,1063 / 1,4818715
- ^ С. Арскотт "Электросмачивание и полупроводники" RSC Advances 4 , 29223 (2014). DOI : 10.1039 / C4RA04187A
- ^ Бассетт, Росс Нокс (2007). К эпохе цифровых технологий: исследовательские лаборатории, начинающие компании и рост MOS-технологий . Издательство Университета Джона Хопкинса . п. 328. ISBN 9780801886393.
- ^ Закон о реорганизации промышленности: отрасль связи . Типография правительства США . 1973. с. 1475.
- ^ Аталла, М .; Канг Д. (ноябрь 1962 г.). «Новая триодная структура« Горячих электронов »с эмиттером полупроводник-металл». Операции IRE на электронных устройствах . 9 (6): 507–508. Bibcode : 1962ITED .... 9..507A . DOI : 10,1109 / Т-ED.1962.15048 . ISSN 0096-2430 . S2CID 51637380 .
- ^ Каспер, Э. (2018). Кремний-молекулярно-лучевая эпитаксия . CRC Press . ISBN 9781351093514.
- ^ 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.
- ^ а б Баттон, Кеннет Дж. (1982). Инфракрасные и миллиметровые волны V6: системы и компоненты . Эльзевир . п. 214. ISBN 9780323150590.
- ^ Ананд Ю. (2013). "Микроволновые диоды с барьером Шоттки" . Переходы металл-полупроводник с барьером Шоттки и их применения . Springer Science & Business Media . п. 220. ISBN 9781468446555.
- ^ 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
- Streetman, Бен Дж .; Банерджи, Санджай Кумар (2016). Твердотельные электронные устройства . Бостон: Пирсон. п. 251-257. ISBN 978-1-292-06055-2. OCLC 908999844 .