Переход металл-полупроводник

В физике твердого тела металл -полупроводник ( M-S ) переход — это тип электрического перехода , в котором металл вступает в тесный контакт с полупроводниковым материалом. Это старейший практический полупроводниковый прибор . Переходы M–S могут быть выпрямляющими и невыпрямляющими . Выпрямляющий переход металл-полупроводник образует барьер Шоттки , образуя устройство, известное как диод Шоттки , а невыпрямляющий переход называется омическим контактом . (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 приборов. Обычно желателен омический контакт , чтобы электрический заряд мог легко передаваться между активной областью транзистора и внешней схемой. Однако иногда барьер Шоттки полезен, например, в диодах Шоттки , транзисторах Шоттки и полевых транзисторах металл-полупроводник .

Критический параметр: высота барьера Шоттки.

Зонная диаграмма перехода металл-полупроводник при нулевом смещении (равновесии). Показано графическое определение барьера Шоттки Φ _B для полупроводника n- как разности между межфазной зоны проводимости краем EC _высоты и уровнем Ферми E _F. типа

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, т. е. Φ _B существенно превышающей тепловую энергию kT , полупроводник обедняется вблизи металла и ведет себя как барьер Шоттки . При более низких высотах барьера Шоттки полупроводник не обедняется, а вместо этого образует омический контакт с металлом.

Высота барьера Шоттки определяется по-разному для полупроводников n-типа и p-типа (отсчитывается от края зоны проводимости и края валентной зоны соответственно). Расположение 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 соотношением:

$\Phi _{\rm {B}}^{(n)}+\Phi _{\rm {B}}^{(p)}=E_{\rm {g}}$

где E _g полупроводника — запрещенная зона .

На практике высота барьера Шоттки не совсем постоянна на границе раздела и варьируется по всей поверхности раздела.

Правило Шоттки – Мотта и фиксация уровня Ферми.

Правило Шоттки-Мотта : когда материалы соединяются, полосы кремния изгибаются так, что работа выхода кремния Φ совпадает с работой выхода серебра. Полосы сохраняют изгиб при контакте. Эта модель предсказывает, что серебро имеет очень низкий барьер Шоттки по отношению к n -легированному кремнию, что обеспечивает превосходный омический контакт.

Изображение, демонстрирующее закрепления уровня Ферми эффект из щелевых состояний, индуцированных металлом : Зоны в кремнии уже изначально искривлены из-за поверхностных состояний . Непосредственно перед контактом они снова сгибаются (для соответствия рабочим функциям). Однако при контакте изгиб полосы полностью меняется, что зависит от химии связи Ag-Si.

Зонные диаграммы для моделей образования перехода серебра с n -легированным кремнием. На практике этот барьер Шоттки составляет примерно Φ _B = 0,8 эВ.

См. Также: Щелевые состояния, индуцированные металлом.

Правило Шоттки -Мотта формирования барьера Шоттки, названное в честь Уолтера Х. Шоттки и Невилла Мотта , предсказывает высоту барьера Шоттки на основе вакуумной работы выхода металла относительно вакуумного сродства к электрону (или энергии вакуумной ионизации ) полупроводника:

$\Phi _{\rm {B}}^{(n)}\approx \Phi _{\rm {metal}}-\chi _{\rm {semi}}$

Эта модель выведена на основе мысленного эксперимента 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.

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 «закрепление уровня Ферми», привело к тому, что некоторая точка запрещенной зоны, в которой существует конечная DOS , была зафиксирована (прикреплена) к уровню Ферми. Это сделало высоту барьера Шоттки почти полностью нечувствительной к работе выхода металла:

$\Phi _{\rm {B}}\approx {\frac {1}{2}}E_{\rm {bandgap}}$

где E _{запрещенная зона} — размер запрещенной зоны в полупроводнике.

Фактически, эмпирически установлено, что ни одна из вышеперечисленных крайностей не является вполне правильной. Выбор металла действительно имеет некоторый эффект, и, по-видимому, существует слабая корреляция между работой выхода металла и высотой барьера, однако влияние работы выхода составляет лишь часть того, что предсказывает правило Шоттки-Мотта.

заметил, В 1947 году Джон Бардин что явление закрепления уровня Ферми естественным образом возникло бы, если бы в полупроводнике существовали заряженные состояния прямо на границе раздела с энергиями внутри полупроводниковой щели. Они либо возникнут во время прямой химической связи металла и полупроводника ( щелевые состояния, индуцированные металлом ), либо уже будут присутствовать на поверхности полупроводник-вакуум ( поверхностные состояния ). Эти высокоплотные поверхностные состояния смогут поглощать большое количество заряда, пожертвованного металлом, эффективно защищая полупроводник от деталей металла. В результате полосы полупроводника обязательно выровняются по отношению к поверхностным состояниям, которые, в свою очередь, закреплены на уровне Ферми (из-за их высокой плотности), и все это без влияния металла.

Эффект закрепления уровня Ферми силен во многих коммерчески важных полупроводниках (Si, Ge, GaAs). и, следовательно, может быть проблематичным при разработке полупроводниковых устройств. Например, почти все металлы образуют значительный барьер Шоттки для n- типа германия и омический контакт с германием p -типа, поскольку край валентной зоны сильно привязан к уровню Ферми металла. Решение этой проблемы требует дополнительных этапов обработки, таких как добавление промежуточного изолирующего слоя для отсоединения полос. (В случае германия нитрид германия . использовался )

История

Свойство выпрямления контактов металл-полупроводник было обнаружено Фердинандом Брауном в 1874 году с использованием металлической ртути , контактировавшей с полупроводниками из сульфида меди и сульфида железа . Сэр Джагадиш Чандра Бос подал заявку на патент США на диод металл-полупроводник в 1901 году. Этот патент был выдан в 1904 году.

Г. В. Пикард получил патент в 1906 году на точечный выпрямитель с использованием кремния . В 1907 году Джордж Пирс статью, опубликовал в журнале Physical Review показывающую выпрямительные свойства диодов, изготовленных путем напыления многих металлов на многие полупроводники. Использование диодного выпрямителя металл-полупроводник было предложено Лилиенфельдом в 1926 году в первом из трех его патентов на транзисторы в качестве затвора полевых транзисторов металл-полупроводник . Теория полевого транзистора с использованием затвора металл/полупроводник была выдвинута Уильямом Шокли в 1939 году.

Первые металло-полупроводниковые диоды в электронике появились примерно в 1900 году, когда выпрямители «кошачьи усы» использовались в приемниках . Они состояли из заостренной вольфрамовой проволоки (в форме кошачьего уса), кончик или кончик которой был прижат к поверхности кристалла галенита (сульфида свинца). Первый выпрямитель большой площади появился примерно в 1926 году и состоял из полупроводника из оксида меди (I), термически выращенного на медной подложке . Впоследствии селена пленки напылялись на крупные металлические подложки для формирования выпрямительных диодов. Эти селеновые выпрямители использовались (и до сих пор используются) для преобразования переменного тока в постоянный в электроэнергетике. диоды, состоящие из заостренной вольфрамовой металлической проволоки, контактирующей с кремниевой В 1925–1940 годах в лабораториях были изготовлены кристаллической основой, 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 Экспериментальной станцией компании E. I du Pont de Nemours .

Первая теория, которая предсказала 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, который был известен как примерно с 1948 года как барьер Мотта. Уолтер Х. Шоттки и Спенке расширили теорию Мотта, включив в нее донорный ион которого , плотность пространственно постоянна в поверхностном слое полупроводника. Это изменило постоянное электрическое поле, предполагаемое Моттом, на линейно затухающее электрическое поле. Этот полупроводниковый слой пространственного заряда под металлом известен как барьер Шоттки . Подобная 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 дают неправильный механизм ограничения тока и неправильные формулы вольт-амперного напряжения в металлическом кремнии. /Полупроводниковые диодные выпрямители. Правильную теорию разработал Гансом Бете и сообщил им в отчете радиационной лаборатории Массачусетского технологического института 23 ноября 1942 года. В теории Бете ток ограничивается термоэлектронной эмиссией электронов от 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 предсказывает правильно характеристики современных диодов металл-полупроводник.

Если переход металл-полупроводник образуется путем помещения капли ртути в , как это сделал Браун , на полупроводник, например кремний , для образования барьера Шоттки электрической установке на диоде Шоттки – можно наблюдать электросмачивание , при котором капля распространяется с увеличением Напряжение. В зависимости от типа легирования и плотности полупроводника растекание капли зависит от величины и знака напряжения, приложенного к капле ртути. Этот эффект получил название «электросмачивание Шоттки», эффективно связывая электросмачивание и полупроводниковые эффекты.

МОП -транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) был изобретен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году и представлен в 1960 году. Они расширили свою работу над технологией МОП, проведя новаторскую работу над устройствами с горячими носителями , в которых использовались то, что позже будет названо барьером Шоттки. Диод Шоттки, также известный как диод с барьером Шоттки, теоретизировался в течение многих лет, но впервые был практически реализован в результате работы Аталлы и Канга в 1960–1961 годах. Они опубликовали свои результаты в 1962 году и назвали свое устройство триодной структурой «горячие электроны» с эмиттером полупроводник-металл. Это был один из первых транзисторов на металлической основе. Аталла продолжила исследования диодов Шоттки вместе с Робертом Дж. Арчером из HP Associates . Они разработали в высоком вакууме металлической пленки технологию нанесения , и изготовлены стабильные напыленные / напыленные контакты , опубликовав свои результаты в январе 1963 года. Их работа стала прорывом в области перехода металл-полупроводник. и исследование барьера Шоттки, поскольку оно позволило преодолеть большинство производственных проблем, присущих точечным диодам , и позволило создать практические диоды Шоттки.

См. также

• Барьер Шоттки

Дальнейшее чтение

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