Шоттки барьер — Физическая энциклопедия
ШОТТКИ БАРЬЕР — потенциальный барьер, образующийся в приконтактном слое полупроводника, граничащем с металлом; исследован В. Шоттки (W. Schottky) в 1939. Для возникновения Ш. б. необходимо, чтобы работы выхода электронов из металла ФM и полупроводника Фп были разными. При контакте полупроводника n-типа проводимости с металлом, имеющим ФМ>Фп, металл заряжается отрицательно, а полупроводник — положительно, т. к. электронам легче перейти из полупроводника в металл, чем обратно (при контакте полупроводника р-типа проводимости с металлом, обладающим ФМ<Фп, металл заряжается положительно, а полупроводник — отрицательно). Возникающая при установлении равновесия между металлом и полупроводником контактная разность потенциалов равна: Uк = (ФМ -Фп)/е, где е
Энергетическая схема контакта металл — полупроводник: а -полупроводник n-типа и металл до сближения; б и в — идеальный контакт металла с полупроводником n— и p-типов; г — реальный контакт металла с полупроводником n-типа; M — металл; П -полупроводник; Д-диэлектрическая
прослойка;
-уровни энергии электрона у потолка
валентной зоны, у дна зоны проводимости
и в вакууме; -энергия
Ферми; Фп—работа выхода
электрона из полупроводника, Ф
В реальных структурах металл — полупроводник
это соотношение не выполняется, т. к. в поверхности полупроводника или в тонкой
диэлектрич. прослойке, часто возникающей между металлом и полупроводником, обычно
есть локальные электронные состояния; находящиеся в них электроны экранируют
влияние металла так, что внутр. поле в полупроводнике определяется этими поверхностными
состояниями и высота Ш. б. зависит от ФM менее резко, чем это может
быть получено из приведённой выше ф-лы. Как правило, наибольшей высотой обладают
Ш. б., получаемые нанесением на полупроводник
Ш. б. обладает выпрямляющими свойствами. Ток
через Ш. б. при наложении внеш. электрич. поля создаётся почти целиком осн.
носителями заряда. Величина тока определяется скоростью прихода носителей из
объёма к поверхности, в случае полупроводника с высокой подвижностью носителей
— током термоэлектронной эмиссии.
Контакты металл — полупроводник с Ш. б. используются
в СВЧ-детекторах и смесителях, транзисторах, фотодиодах и др. приборах.
Лит.: Стриха В. И., Бузанева E. В., Радзиевский
И. А., Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки, M., 1974; Стриха В. И.,
Теоретические основы работы контакта металл — полупроводник, К., 1974; Милнс
А., Фойхт Д., Гетеропереходы и переходы металл — полупроводник, пер. с англ.,
M., 1975.
T. M. Лифшиц.
Предметный указатель >>
ШОТТКИ БАРЬЕР — это… Что такое ШОТТКИ БАРЬЕР?
— потенциальный барьер, образующийся в приконтактном слое полупроводника, граничащем с металлом; исследован В. Шоттки (W. Schottky) в 1939. Для возникновения Ш. б. необходимо, чтобы работы выхода электронов из металла Ф M и полупроводника Ф п
Энергетическая схема контакта металл — полупровод
В реальных структурах металл — полупроводник это соотношение не выполняется, т. к. в поверхности полупроводника или в тонкой диэлектрич. прослойке, часто возникающей между металлом и полупроводником, обычно есть локальные электронные состояния; находящиеся в них электроны экранируют влияние металла так, что внутр. поле в полупроводнике определяется этими поверхностными состояниями и высота Ш. б. зависит от Ф M менее резко, чем это может быть получено из приведённой выше ф-лы. Как правило, наибольшей высотой обладают Ш. б., получаемые нанесением на полупроводник n -типа плёнки Au. На высоту Ш. б. оказывает также влияние сила «электрич. изображения» (см.
Ш. б. обладает выпрямляющими свойствами. Ток через Ш. б. при наложении внеш. электрич. поля создаётся почти целиком осн. носителями заряда. Величина тока определяется скоростью прихода носителей из объёма к поверхности, в случае полупроводника с высокой подвижностью носителей — током термоэлектронной эмиссии.
Контакты металл — полупроводник с Ш. б. используются в СВЧ-детекторах и смесителях, транзисторах, фотодиодах и др. приборах.
Лит.: Стриха В. И., Бузанева E. В., Радзиевский И. А., Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки, M., 1974; Стриха В. И., Теоретические основы работы контакта металл — полупроводник, К., 1974; Милнс А., Фойхт Д., Гетеропереходы и переходы металл — полупроводник, пер. с англ., M., 1975.
T. M. Лифшиц.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.
gaz.wiki — gaz.wiki
- Main page
Languages
- Deutsch
- Français
- Nederlands
- Русский
- Italiano
- Español
- Polski
- Português
- Norsk
- Suomen kieli
- Magyar
- Čeština
- Türkçe
- Dansk
- Română
- Svenska
Формирование барьеров Шоттки на кремнии n-типа методом LCVD Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»
УДК 66.088
ФОРМИРОВАНИЕ БАРЬЕРОВ ШОТТКИ НА КРЕМНИИ л-ТИПА МЕТОДОМ LCVD
Владимир Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор-консультант кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Дмитрий Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, заведующий кафедрой наносистем и оптотехники, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Максим Викторович Кузнецов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, техник кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Валерий Андреевич Райхерт
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ведущий инженер кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Дмитрий Михайлович Никулин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Барьер Шоттки формируется на поверхности кремниевой подложки n-типа импульсным LCVD из паров металлоорганического соединения. Приведены характеристики экспериментальных образцов диодов. Обсуждаются вопросы применения лазерно-пиролитических методов при создании структур детекторов излучений терагерцового диапазона спектра.
Ключевые слова: барьер Шоттки, импульсный LCVD, металлоорганическое соединение, детектор излучения, терагерцовый диапазон спектра.
THE CREATION OF SCHOTTKY BARRIER ON л-Si BY LCVD METHOD
Vladimir V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Doctor of Technical Sciences, Professor of Physics Department, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Dmitry V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Chair of Nanosystems and Optical Engineering Department, tel. (383)343-29-29, e-mail: [email protected]
Maksim V. Kuznetsov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., technician of Physics department, tel. (383) 361-08-36, e-mail: [email protected] Valery A. Reichert
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Engineer of Physics Department, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Dmitry M. Nikulin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer of Physics department, tel. (383)361-08-36, email: [email protected]
The Schottky barrier are forming on surface of n-Si substrate by pulsed LCVD from metal-organic compound vapor. The properties of diode’s operative embodiments are showed. The questions of using laser-pyrolytic methods for creation of terahertz spectral range radiation detector’s structures are discussed.
Key words: Schottky barrier, pulsed LCVD, metal-organic compound, radiation detector, terahertz spectral range.
Приёмники излучений субмиллиметрового и дальнего ИК излучения на основе диодов на барьере Шоттки относятся к одним из перспективных благодаря своей высокой критической частоте. Созданы и широко применяются детекторы излучений миллиметрового диапазона электромагнитных колебаний, разработаны основы теории диодов Шоттки и технологии изготовления детекторов на их основе [1]. В работе [2] представлены результаты разработки терагерцового матричного формирователя видеосигналов, использующего диоды Шоттки и работающего на частоте 0,86 ТГц. При изготовлении матрицы применена КМОП-технология с 0,13 мкм топологической нормой. Приёмник содержит один пиксель, для получения картинки необходимо сканирование. Детектирующим элементом формирователя видеосигналов является диод Шоттки, соединённый с внутрипиксельной антенной.
Имеется патентная информация по детекторам Шоттки для терагерцового диапазона спектра [3,4,5].
Традиционно используемые методы получения переходов «металл -полупроводник» [1] являются многоступенными, включают этапы подготовки поверхности полупроводника к нанесению плёнок путём её отмывки и обработки в вакууме, например, ионной очисткой, нанесение плёнок напылением в вакууме, литографические процессы для получения топологических структур необходимой конфигурации.
Представленная в настоящем сообщении методика формирования барьеров Шоттки путём нанесения тонкой плёнки материала металлического электрода диода на поверхность полупроводника основывается на технологии лазерно-пиролитического осаждения металлов на поверхность подложки из парогазовой фазы (LCVD) [6].
Особенностью выпрямляющих контактов «металл — полупроводник», отличающих их от р-п-переходов, является отсутствие инжекции неосновных носителей в полупроводник при прямых напряжениях.
Таким образом, в диоде Шоттки отсутствуют накопление неосновных носителей заряда в областях диода при прямом напряжении и рассасывание этого заряда при изменении знака напряжения. Это улучшает быстродействие диода, т. е. частотные и импульсные свойства. В целом вольт-амперная характеристика контакта с барьером Шоттки в широких пределах изменения тока соответствует характеристике типа
I = I0 [exp(eU / akT) -1],
где a — коэффициент «неидеальности» перехода, U — напряжение на диоде, k — постоянная Больцмана, T — термодинамическая температура диода.
При обратном смещении ток через контакт обычно увеличивается с ростом напряжения.
Во многих случаях контакты получают напылением в вакуумных установках [1]. Перед напылением поверхность полупроводника часто подвергают травлению, и тогда на ней неизбежно остаётся тонкий окисный слой толщиной (1-2) нм; коэффициент неидеальности может быть существенно больше единицы. При изготовлении диодов с помощью высокочастотного ионного распыления (очистка кремния перед нанесением металла) их характеристики оказываются почти идеальными.
В ряде случаев используют химическое и электролитическое нанесение металла, также с получением высокой степени идеальности.
Важным элементом технологии является тепловая обработка изготовленных переходов. Рекомендуется во избежание нарушения границы «полупроводник — металл» не производить нагревание выше температуры образования эвтектики сплавов металл полупроводник. Опасна миграция атомов полупроводника в металл, которая может происходить при температурах существенно ниже эвтектических.
Большинство металлов, включая все переходные, образуют силициды при образовании переходов «металл — кремний» и нагревании. Эти соединения могут образовываться в твёрдой фазе при термодинамических температурах в интервале приблизительно от одной трети до половины температуры плавления данного металла. Благодаря металлической проводимости силицидов контакт с ними полупроводника ведёт себя подобно контакту «металл — полупроводник». Поверхность раздела «силицид
— полупроводник» формируется на некотором удалении от поверхности металла, она не содержит поверхностных загрязнений и очень стабильна, контакты обычно имеют высокую степень идеальности.
В качестве контактных металлов при образовании переходов с кремнием использовались алюминий, золото, платина, вольфрам, никель, родий, гафний, и др.
Исследуемый импульсный наносекундный метод LCVD получения барьеров Шоттки является одноступенным. Металл осаждается на подложку локально в пределах пятна лазерного излучения, при этом поверхность подложки на переднем фронте лазерного импульса за счёт теплового воздействия излучения в течение долей наносекунды термически отжигается и очищается от легколетучих загрязнений и примесей [6], затем в ходе того же импульса происходит лазерно-пиролитический процесс осаждения атомов металла на поверхность; облучение импульсно-периодическое, и на следующих импульсах процессы повторяются. Предполагается, что такое сочетание в одном цикле технологии операций очистки поверхности и нанесения на поверхность материала электрода может обеспечить повышенную степень химической чистоты перехода металл-полупроводник и высокие электрофизические параметры перехода.
В основе разработанной методики лежит использование технологической лазерной установки [6]; в качестве материала диодного электрода используется переходный металл — рений. Процесс лазерного осаждения проводится в вакуумной камере при давлении паров декакарбонила дирения порядка (1-10) Па (температура вакуумной камеры (50-80) °С). Схема камеры показана на рис. 1, а, где: 1 — вакуумная камера, 2
— образец, 3 — порошок карбонила, 4 — прозрачное окно ввода излучения, 5 -объектив лазерной установки, 6 — штуцер вакуумной откачки камеры, 7 -уплотнительное кольцо.
а б
Рис. 1. Формирование электродов диодов Шоттки методом LCVD:
а — конструктивная схема реакционной камеры; б -микрофотография участка кремниевой подложки с нанесённым островком плёнки рения
Подложкой является пластинка, вырезанная из монокристаллического кремния марки КЭФ-0,3; пиролитическое осаждение производится после откачки камеры форвакуумным насосом до остаточного давления порядка 1 Па и нагревания камеры внешним электрическим нагревателем до необходимой температуры. Излучателем является азотный лазер с длиной волны излучения ^0 = 337 нм, длительностью импульса 6 нс, частотой импульсов 1000 Гц, мощностью в импульсе до 10 кВт.20 мкм, определяется размером маски, устанавливаемой по ходу лазерного луча. Длительность процесса осаждения составляет около минуты, толщина, наносимой плёнки — (0,1-0,3) мкм. Микроснимок области подложки с нанесённым рением показан на рис. 1, б.
При изготовлении экспериментальных образцов одновременно с диодом Шоттки на кремниевой подложке формировался прототип встроенной в чип микроантенны планарного типа. Планарная антенна имеет лепесток диаграммы направленности, ориентированный по нормали к поверхности. При создании приёмников изображения, матрица чувствительных элементов которых располагается в фокальной плоскости объектива оптической системы, предпочтительным может стать вариант планарной антенны; при создании детекторов систем широкополосной связи выбор может быть в пользу антенны — столбика.
Схематичное изображение структуры прототипа планарной антенны показано на рис. 2.
а
б
Рис. 2. Прототип планарной антенны:
а — структура встроенной четвертьволновой несимметричной микроантенны; б -схема расположения микроантенн и контактных площадок на поле приёмника изображений.
1 — электрод диода Шоттки, 2 — микроантенна, 3- полупроводниковая подложка п -типа, 4 — слой изолятора, 5 — контактная площадка, 6 — четвертьволновый трансформатор
Изготовление полосковых планарных антенн и электрода диода Шоттки совмещены в одном технологическом процессе лазерно-пиролитического нанесения плёнок.
Площадь электрода экспериментального образца диода 25*25 мкм, длина и ширина, полоски прототипа антенны 50 мкм и 10 мкм.
Вольт-амперная характеристика диода приведена на рис. 4. ВАХ имеет обычный для диодов вид; обратная ветвь характеристики снималась при напряжении до -1 В, измеренные токи менее 0,1 мкА; прямые токи до 2,2 мкм при напряжении до +1 В. Сплошная кривая представляет собой математическую функцию, выписанную в верхней части графика.
Таким образом, показано, что лазерно-пиролитическая технология может быть применена при создании детекторов терагерцового диапазона спектра электромагнитных волн, представляющих собой структуру расположенных на одном чипе диодов Шоттки и внутрипиксельных антенн.
1, гик А ВАХ диода
2.5
V = 0.0215е4-808* у
2.0 У
/
1.5 1.0 i
/
JT
0.5 J/
0.0 0,000 0.200
0,400 0,600 0,800 1,000 ‘
Рис. 4. Вольт-амперная характеристика диода Шоттки, полученного лазерно-пиролитическим осаждением плёнки металлического рениевого анода на кремний КЭФ 0,3
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Родерик Э.Х. Контакты металл-полупроводник. — М.: Радио и связь, 1982. — 209 с.
2. A lkPixel CMOS Camera Chip for 25fps Real-Time Terahertz Imaging Applications / Sherry H. et al. // Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers (ISSCC), 2012 IEEE International, 19-23 Feb. 2012, San Francisco, CA. — P. 252-254.
3. Детектор для детектирования электромагнитных волн. US Patent 20110248724 A1. 07.08.2002.
4. Интегральный дипольный детектордля микроволновых приёмников изображения. US Patent 6545646 В1, Апр. 8, 2003.
5. Диод с барьером Шоттки. US Patent 20050179106 A1. Авг. 18, 2005
6. Чесноков В. В., Резникова Е. Ф., Чесноков Д. В. Лазерные наносекундные микротехнологии: монография / Под общ. ред. Д. В. Чеснокова. — Новосибирск: СГГА, 2003. — 300 с.
© В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, М. В. Кузнецов, В. А. Райхерт, Д. М. Никулин, 2014
Барьер — шоттка — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Барьер — шоттка
Cтраница 1
Барьеры Шоттки образуются, если происходит перенос электронов с донорпых примесей из диэлектрика на металлический электрод. [1]
Параметры барьера Шоттки можно более подробно изучить с помощью двух независимых методов: измерений емкости и спектров фототока короткого замыкания. Если солнечные элементы освещаются через полупрозрачный выпрямляющий электрод ( алюминий), то наблюдается сильная зависимость между фото-током и спектром поглощения пленок. И наоборот, если элементы освещать через омический электрод, то величина фото-тока обратно пропорциональна коэффициенту поглощения ме-таллфталоцианина. Это показывает, что на омическом контакте фотогенерация свободных) носителей заряда не эффективна, а фототек возникает из-за поглощения квантов света, прошедших через органический слой, на другом контакте. Однако большая часть фотонов поглощается в объеме органического материала без образования носителей заряда. [2]
Для образования барьера Шоттки в цепи коллектора концентрация примеси в активной области полупроводникового материала не должна превышать величины УУ0 Ю17 см-3. Поэтому все известные И2Л — элемента с диодами Шоттки не могут быть реализованы по стандартной биполярной технологии и требуют изменения последовательности и содержания ряда технологических операций базового процесса. На поверхности низколегированной л-области коллектора создаются диоды Шоттки с использованием в качестве барьерного металла алюминия, титана или силицида платины. Анодом диода является металлизированный контакт к области — типа, которая является катодом диода Шоттки. [3]
Для образования барьера Шоттки металл не должен взаимодействовать с кремнием. Поэтому все термические операции, следующие за осаждением металла, проводятся при температурах, меньших температуры образования эвтектики металл — кремний. Для А1 и Si температура эвтектики невелика и равна 577 С. [5]
Транзистор с барьером Шоттки имеет следующую структуру. На полуизолирующей арсенид-галлиевой подложке толщиной несколько десятков микрон выращен эпитаксиальный слой также арсенида галлия га-типа проводимости толщиной от одного до нескольких десятых долей микрона. С эпитаксиальным слоем созданы омические контакты истока и стока, между которыми располагается выпрямляющий контакт затвора. [6]
В последнее время барьер Шоттки начинает использоваться в качестве коллектора биполярного транзистора ( рис. 8.11), где эмиттером является обычный р-я-переход. В обычном р-я-р-транзисторе при больших уровнях инжекции происходит накопление дырок в коллекторной области. В транзисторе с барьером Шоттки в качестве коллектора время жизни дырок в металле пренебрежимо мало и их накопления не происходит, вследствие чего резко уменьшается время переключения. С этой же целью в некоторых конструкциях транзисторов коллекторный переход состоит из параллельно включенных р-я-перехода и барьера Шоттки. [7]
Одно из применений барьера Шоттки в качестве затвора полевого транзистора было отмечено нами в § 4.1. Рассмотрим транзистор, состоящий из двух барьеров Шоттки, слой металла в которых является общим. Принцип его работы подобен биполярному транзистору. [9]
Кроме случаев использования барьера Шоттки в цепи коллектора для повышения быстродействия, нельзя сказать, что диоды Шоттки широко распространены в биполярных ИС. [10]
Солнечные элементы с барьером Шоттки ( см. рис. 6.8, а), процесс изготовления которых наименее сложен, обычно применяются для исследовательских целей. Один из возможных способов изготовления элементов с барьером Шоттки состоит в последовательном осаждении на молибденовую подложку тонкого слоя ( толщиной — 20 нм), легированного фосфором a — Si: Н, слоя нелегированного a — Si: Н и нанесении методом вакуумного испарения пленки палладия толщиной около 5 нм. [12]
В структурах с барьером Шоттки, у которых диэлектрический слой отсутствует, темновой диодный ток обусловлен в основном термоэмиссией основных носителей заряда, проходящих над барьером. Наблюдаются также и более слабые эффекты, связанные с туннелированием основных носителей через верхнюю часть барьера и ( или) их рекомбинацией в обедненном слое, которыми в большинстве солнечных элементов можно пренебречь. Кроме того, имеется поток неосновных носителей заряда, инжектируемых из металла в полупроводник, однако он существенно меньше потока основных носителей. [13]
Следующей проблемой является высота барьера Шоттки. В первом приближении можно считать, что высота барьера Шоттки определяется поверхностными состояниями полупроводника. При очищенной поверхности кремния поверхностные энергетические уровни лежат внутри запрещенной зоны кремния, поэтому даже при хорошей очистке уровень Ферми отличается от соответствующего энергетического уровня в объеме подложки кремния. Когда на поверхность кремния наносится слой металла, уровень Ферми на поверхности кремниевой подложки несколько изменяется за счет работы выхода из металла. [14]
Создание смесительных диодов с барьером Шоттки ( ДБШ) для работы в диапазоне миллиметровых волн позволяет снизить коэффициент шума F супергетеродинного приемника. Целью данной работы являлось экспериментальное определение выигрыша в величине F, который можно получить, используя вместо стандартных кремниевых диодов с точечным прижимным контактом ( ТКД) арсенидогаллиевые ДБШ в балансном смесителе ( БС) 8-мм диапазона, а также определение условий практической реализации этого выигрыша. [15]
Страницы: 1 2 3 4 5
Диод Шоттки: открытие, высота барьера, преимущества
Диод Шоттки – это полупроводниковый электрический выпрямительный элемент, где в качестве барьера используется переход металл-полупроводник. В результате приобретаются полезные свойства: высокое быстродействие и малое падение напряжения в прямом направлении.
Из истории открытия диодов Шоттки
Выпрямительные свойства перехода металл-полупроводник впервые замечены в 1874 году Фердинандом Брауном на примере сульфидов. Пропуская ток в прямом и обратном направлении, он отметил разницу в 30%, что в корне противоречило известному закону Ома. Браун не смог объяснить происходящего, но, продолжив исследования, установил, что и сопротивление участка пропорционально протекающему току. Что также выглядело необычно.
Выпрямительный диод
Опыты повторились физиками. К примеру, Вернер Сименс отметил похожие свойства селена. Браун установил, что свойства конструкции проявляются наиболее ярко при небольшом размере контактов, приложенных к кристаллу сульфида. Исследователь применял:
- подпружиненную проволоку с давлением 1 кг;
- ртутный контакт;
- металлизированную медью площадку.
Так на свет появился точечный диод, в 1900 году помешавший нашему соотечественнику Попову взять патент на детектор для радио. В собственных работах Браун излагает исследования марганцевой руды (псиломелана). Прижав контакты к кристаллу струбциной и изолировав губки от токонесущей части, учёный получил превосходные результаты, но применения эффекту в то время не нашлось. Описав, необычные свойства сульфида меди, Фердинанд положил начало твердотельной электронике.
За Брауна практическое применение нашли единомышленники. Профессор Джагдиш Чандра Бос сообщил 27 апреля 1899 года о создании первого детектора-приёмника для работы в паре с радиопередатчиком. Он использовал галенит (оксид свинца) в паре с простым проводом и поймал волны миллиметрового диапазона. В 1901 году запатентовал своё детище. Не исключено, что под влиянием слухов о Попове. Детектор Боса использован в первой трансатлантической радиопередаче Маркони. Аналогичного рода устройства на кристалле кремния запатентовал в 1906 году Гринлиф Уиттер Пиккард.
Гринлиф Уиттер Пиккард
В своей речи на вручении Нобелевской премии в 1909 году Браун отметил, что не понимает принципов открытого им явления, зато обнаружил целый ряд материалов, проявляющих новые свойства. Это уже упомянутый выше галенит, пирит, пиролюзит, тетраэдрит и ряд прочих. Перечисленные материалы привлекли внимание по простой причине: проводили электрический ток, хотя считались соединениями элементов таблицы Менделеева. Прежде подобные свойства считались прерогативой простых металлов.
Наконец, в 1926 году уже появились первые транзисторы с барьером Шоттки, а теорию под явление подвёл Уильям Брэдфорд Шокли в 1939 году. Тогда же Невилл Франсис Мот объяснил явления, происходящие в на стыке двух материалов, вычислив ток диффузии и дрейфа основных носителей заряда. Вальтер Шоттки дополнил теорию, заменив линейное электрическое поле затухающим и добавив представление о донорах ионов, расположенных в приповерхностном слое полупроводника. Объёмный заряд на границе раздела под слоем металла назвали именем учёного.
Схожие попытки подведения теории под имеющийся факт предпринимал Давыдов в 1939 году, но неправильно дал лимитирующие факторы для тока и допустил прочие ошибки. Самые правильные выводы сделал Ханс Альбрехт Бете в 1942 году, увязавший ток с термоэлектронной эмиссией носителей сквозь потенциальный барьер на границе двух материалов. Таким образом, современное название явления и диодов должно бы носить имя последнего учёного, теория Шоттки обнаруживала изъяны.
Учёный Шоттки
Теоретические исследования упираются в сложность измерения работы выхода электронов из материала в вакуум. Даже для химически инертного и стабильного металла золота определённые показания разнятся от 4 до 4,92 эВ. При высокой степени вакуума, в отсутствие ртути от насоса или масляной плёнки, получаются значения в 5,2 эВ. С развитием технологии в будущем предвидятся значения точнее. Иным вариантом решения станет использование сведений об электроотрицательности материалов для правильного предсказания событий на границе перехода. Эти величины (по шкале Поллинга) известны с точностью до 0,1 эВ. Из сказанного понятно: сегодня правильно предсказать высоту барьера по указанным методикам и, следовательно, выпрямительные свойства диодов Шоттки не представляется возможным.
Лучшие способы определения высоты барьера Шоттки
Высоту допустимо определить по известной формуле (см. рис). Где С – коэффициент, слабо зависящий от температуры. Зависимость от приложенного напряжения Va, несмотря на сложную форму считается почти линейной. Угол наклона графика составляет q/ kT. Высоту барьера определяют по графику зависимости lnJ от 1/Т при фиксированном напряжении. Расчёт ведётся по углу наклона.
Формула для расчётов
Альтернативный метод состоит в облучении перехода металл-полупроводник светом. Используются способы:
- Свет проходит через толщу полупроводника.
- Свет падает прямо на чувствительную площадку фотоэлемента.
Если энергия фотона укладывается в промежуток энергий между запрещённой зоной полупроводника и высотой барьера, наблюдается эмиссия электронов из металла. Когда параметр выше обоих указанных величин, выходной ток резко возрастает, что легко заметно на установке для эксперимента. Указанный метод позволяет установить, что работы выхода для одинакового полупроводника, с разными типами типами проводимости (n и p), в сумме дают ширину запрещённой зоны материала.
Новым методом для определения высоты барьера Шоттки служит измерение ёмкости перехода в зависимости от приложенного обратного напряжения. График показывает вид прямой, пересекающей ось абсцисс в точке, характеризующей искомую величину. Результат экспериментов сильно зависит от качества подготовки поверхности. Изучение технологических методов обработки показывает, что травление в плавиковой кислоте оставляет на образце из кремния слой оксидной плёнки толщиной 10 – 20 ангстрем.
Неизменно отмечается эффект старения. Меньше характерен для диодов Шоттки, образованных путём скола кристалла. Высоты барьеров отличаются для конкретного материала, в отдельных случаях сильно зависят от электроотрицательности металлов. Для арсенида галлия фактор почти не проявляется, в случае с сульфидом цинка играет решающую роль. Зато в последнем случае слабое действие оказывает качество подготовки поверхности, для GaAs это крайне важно. Сульфид кадмия находится в промежуточном положении относительно указанных материалов.
При исследовании оказалось, что большинство полупроводников ведёт себя подобно GaAs, включая кремний. Мид объяснил это тем, что на поверхности материала образуется ряд формаций, где энергия электронов лежит в области трети запрещённой зоны от зоны валентности. В результате при контакте с металлом уровень Ферми в последнем стремится занять схожее положение. История повторяется с любым проводником. Одновременно высота барьера становится разницей между уровнем Ферми и краем зоны проводимости в полупроводнике.
Сильное влияние электроотрицательности металла наблюдается в материалах с ярко выраженными ионными связями. Это прежде всего четырёхвалентный оксид кремния и сульфид цинка. Объясняется указанный факт отсутствием формаций, влияющих на уровень Ферми в металле. В заключение добавим, что исчерпывающей теории по поводу рассматриваемого вопроса сегодня не создано.
Преимущества диодов Шоттки
Не секрет, что диоды Шоттки служат выпрямителями на выходе импульсных блоков питания. Производители упирают на то, что потери мощности и нагрев в этом случае намного ниже. Установлено, что падение напряжения при прямом включении на диоде Шоттки меньше в 1,5 – 2 раза, нежели в любом типе выпрямителей. Попробуем объяснить причину.
Рассмотрим работу обычного p-n-перехода. При контакте материалов с двумя разными типами проводимости начинается диффузия основных носителей за границу контакта, где они уже не основные. В физике это называется запирающим слоем. Если на n-область подать положительный потенциал, основные носители электроны моментально притянутся в выводу. Тогда запирающий слой расширится, ток не течёт. При прямом включении основные носители, напротив, наступают на запирающий слой, где активно с ним рекомбинируют. Переход открывается, течёт ток.
Выходит, ни открыть, ни закрыть простой диод мгновенно не получится. Идут процессы образования и ликвидация запирающего слоя, требующие времени. Диод Шоттки ведёт себя чуть по-иному. Приложенное прямое напряжение открывает переход, но инжекции дырок в n-полупроводник практически не происходит, барьер для них велик, в металле таких носителей мало. При обратном включении в сильно легированных полупроводниках способен течь туннельный ток.
Читатели, ознакомленные с темой Светодиодное освещение, уже в курсе, что первоначально в 1907 году Генри Джозеф Раунд сделал открытие на кристаллическом детекторе. Это диод Шоттки в первом приближении: граница металла и карбида кремния. Разница в том, что сегодня используют полупроводник n-типа и алюминий.
Диод Шоттки умеет не только светиться: для этих целей используют p-n-переход. Контакт металл-полупроводник не всегда становится выпрямляющим. В последнем случае называется омическим и входит в состав большинства транзисторов, где его паразитные эффекты излишни и вредны. Каким будет переход, зависит от высоты барьера Шоттки. При больших значениях параметра, превышающих температурную энергию, появляются выпрямительные свойства. Свойства определяется разностью работы выхода металла (в вакууме) и полупроводника, либо электронным сродством.
Свойства перехода зависят от применяемых материалов и от геометрических размеров. Объёмный заряд в рассматриваемом случае меньше, нежели при контакте двух полупроводников разного типа, значит, время переключения значительно снижается. В типичном случае укладывается в диапазон от сотен пс до десятков нс. Для обычных диодов минимум на порядок выше. В теории это выглядит как отсутствие повышения уровня барьера при приложенном обратном напряжении. Легко объяснить и малое падение напряжения тем, что часть перехода составлена чистым проводником. Актуально для приборов, рассчитанных на сравнительно низкие напряжения в десятки вольт.
Сообразно свойствам диодов Шоттки они находят широкое применение в импульсных блоках питания для бытовой техники. Это позволяет снизить потери, улучшить тепловой режим работы выпрямителей. Малая площадь перехода обусловливает низкие напряжения пробоя, что слегка компенсируется увеличением площади металлизации на кристалле, охватывающей часть изолированной оксидом кремния области. Эта площадь, напоминающая конденсатор, при обратном включении диода обедняет прилегающие слои основными носителями заряда, значительно улучшая показатели.
Благодаря быстродействию диоды Шоттки активно применяются в интегральных схемах, нацеленных на использование высоких частот – рабочих и частот синхронизации.
2.7. Зонная диаграмма барьера Шоттки при внешнем напряжении
Рассмотрим, как меняется зонная диаграмма контакта металл – полупроводник при приложении внешнего напряжения VG, знак которого соответствует знаку напряжения на металлическом электроде. Величина внешнего напряжения при положительном знакеVG > 0 не должна быть больше контактной разности потенциалаms, при отрицательном напряженииVG < 0 она ограничивается только электрическим пробоем структуры. На рисунке 2.5 приведены соответствующие зонные диаграммы при положительном и отрицательном напряжениях на металлическом электроде барьеров Шоттки. Из приведенного рисунка видно, что роль внешнего напряжения в барьере Шоттки сводится только к регулированию высоты потенциального барьера и величины электрического поля в ОПЗ полупроводника.
Рис. 2.5. Зонная диаграмма барьера Шоттки при различных напряжениях на затворе:
а) VG = 0; б)VG > 0, прямое смещение; в)VG < 0, обратное смещение
2.8. Распределение электрического поля и потенциала в барьере Шоттки
Рассмотрим более детально, как меняются электрическое поле и потенциал в области пространственного заряда контакта металл – полупроводник в виде барьера Шоттки. Для определенности будем рассматривать полупроводник n‑типа. За знак приложенного напряжения примем знак напряжения, приложенного к металлическому электроду, полупроводниковый электрод считаем заземленным.
Вне зависимости от полярности напряжения для барьерных структур все внешнее напряжение будет приложено к области пространственного заряда, поскольку в этой области концентрация свободных носителей существенно меньше, чем в других областях барьера Шоттки.
Связь электрического поля и потенциала для любых материалов с пространственно распределенным объемным зарядом описывается уравнением Пуассона. В одномерном приближении это уравнение имеет вид:
, (2.30)
где (x) – зависимость потенциала от координаты,(x) – плотность объемного заряда,s– диэлектрическая проницаемость полупроводника,0– диэлектрическая постоянная.
Заряд в области пространственного заряда барьера Шоттки для полупроводника n‑типа обусловлен зарядом ионизованных доноров с плотностьюND+. Поэтому
. (2.31)
При интегрировании уравнения Пуассона учтем, что величина электрического поля :
, (2.32)
или
. (2.33)
Проведем интегрирование уравнения (2.33). Выберем константу интегрирования из расчета, что при x = W электрическое поле Е равно нулю,
. (2.34)
Из соотношения (2.34) следует, что электрическое поле Емаксимально на границе металл – полупроводник (x = 0), линейно спадает по области пространственного заряда и равно нулю на границе ОПЗ – квазинейтральный объем полупроводника (x = W).
Для нахождения распределения потенциала (а следовательно, и зависимости потенциальной энергии от координаты) проинтегрируем еще раз уравнение (2.34) при следующих граничных условиях: x = W, (W) = 0. Получаем (рис. 2.6):
. (2.35)
Максимальное значение потенциала реализуется при x = 0 и составляет:
, при. (2.36)
В этом случае можно рассчитать значение ширины обедненной области W, подставляя соотношение (2.36) в (2.35):
. (2.37)
Соотношение (2.37) является очень важным для барьерных структур. В дальнейшем будет показано, что это уравнение является универсальным и описывает зависимость ширины обедненной области Wот приложенного напряженияVGи легирующей концентрацииNDдля большинства барьерных структур. На рисунке 2.6 приведена диаграмма, иллюстрирующая распределение электрического поля и потенциала в барьере Шоттки при обратном смещении, рассчитанных на основании соотношений (2.34) и (2.35).
Рис. 2.6. Диаграмма, иллюстрирующая распределение электрического поля и потенциала в барьере Шоттки:
а) структура барьера Шоттки при обратном смещении;б) распределение электрического поля в ОПЗ;в) распределение потенциала в ОПЗ
Барьер Шоттки — обзор
7.3.2.1 Омический контакт MIS
Прочная поверхность FLP приводит к образованию больших SBH контактов металл-полупроводник (MS) независимо от работы выхода металла. Для подложки Si / Si предполагается, что FLP можно высвободить, вставив сверхтонкий диэлектрик между металлом и полупроводником. Было доказано, что Si 3 N 4 , TiO 2 , TiN, Al 2 O 3, и т. Д. Могут быть использованы в качестве изолирующих слоев для снижения ρ c успешно путем модуляции SBH.
Si 3 N 4 используется в качестве диэлектрического слоя для уменьшения FLP и снижения контактного сопротивления между металлом и Si. Коннелли и др. [19] и Grupp et al. [21] вставили ультратонкий слой Si 3 N 4 между металлами с низкой работой выхода (Yb, Mg или Al) и n + -Si и достигли низкого значения ϕ млрд примерно 0,2 эВ, что снижает контактное сопротивление. Характеристики I — V показывают, что введение межфазного Si 3 N 4 изменяет нелинейное поведение I — V без Si 3 N 4 на линейное омическое поведение.
Coss et al. [61,62] изготовлены p-FinFET с контактами TaN / SiO x или AlO x / Si. AlO x был нанесен в контактные отверстия с использованием осаждения атомных слоев (ALD), в то время как SiO x был нанесен путем преднамеренного повторного окисления подложки во время процесса ALD. Измерены вольт-амперные характеристики, вольт-фарадные характеристики слабосигнального переменного тока и контактные цепи. Результаты статистического анализа подтвердили, что устройства с межфазными слоями показали значительное снижение ρ c по сравнению с контрольными устройствами, содержащими только TaN.При введении SiO x / AlO x между TaN и n + -Si происходит снижение на 25% ρ c (с 4,47 × 10 — 8 до 3,46 × 10 — 8 Ом · см 2 ), что, в свою очередь, приводит к увеличению рабочего тока на 20% (с 550 до 650 мкА / мкм) без ухудшения I от . Уменьшение ϕ c коррелирует с уменьшением ϕ млрд из-за введения тонких слоев SiO x / AlO x на границе контакта.Предполагается, что толщина диэлектрика 2 нм или больше значительно снижает пропускание носителей через контактный интерфейс и не подходит для омического контакта из-за возникновения запрещенной зоны и больших туннельных барьеров.
King et al. [22] также улучшили проводимость металл / полупроводник с использованием межфазного слоя AlO x на слаболегированных (~ 10 15 см — 3 ) n- и p-Si. Термический ALD использовался для формирования сверхтонких прослоек в омических контактах МДП на n- и p-Si.AlO x толщиной 1-2 нм был нанесен при 120 ° C на подложки Si перед металлизацией, образуя контакты Ni / AlO x / Si. Характеристики J — V показали, что плотность тока обратного насыщения мала для управляющих контактов Ni / Si, тогда как для контактов Ni / AlO x / Si наблюдается повышение более чем на два порядка. Это увеличение плотности обратного тока соответствует уменьшению удельного сопротивления контакта и минимум ρ c 1.5 × 10 — 5 Ом · см 2 . Отметим, что в данной работе для формирования омических контактов для МДП-структур на n- и p-Si проводится термообработка при 200 ° C. Управляющие контакты TaN / Si не переходят в омическое состояние после отжига 200 ° C. Это говорит о том, что отжиг может привести к миграции металла и изменениям материала в AlO x , который действует для подавления состояний интерфейса и уменьшения ρ c , независимо от концентрации легирования.
Как упоминалось ранее, в контакте MIS изоляторы с малым смещением зоны проводимости (CBO) очень желательны для получения наименьшего общего сопротивления (включая сопротивление контакта и сопротивление туннелирования). TiO 2 с почти нулевым CBO предпочтительно используются в современных МДП-контактах. В исх. [27], Agrawal et al. представили экспериментальное исследование контакта МС и контакта МДП с использованием ультратонкого изолятора TiO 2 между металлом и n + -Si.Образцы загружались в систему ALD для нанесения тонких слоев TiO 2 толщиной 10 и 20 A. Кроме того, четыре вида металлов (Ni, Pt, Ti и Mo) с размером 20 нм, покрытые 80 нм Au, были осаждены электронно-лучевым испарением для изучения влияния работы выхода металла на МДП-контакты. Показано, что без изолятора значения ρ C составляют 1,8 × 10 — 6 и 1,4 × 10 — 7 Ом · см 2 для контактов Ni / Si и для контактов Ti / Si соответственно.При 20 Å TiO 2 в Ni / TiO 2 / Si МДП-контактах наблюдалось минимальное ρ C 5 × 10 — 7 Ом · см 2 , что составляет ~ 4-кратное уменьшение по сравнению с к контактам Ni / Si. Однако с 10 Å TiO 2 в контактах Ti / TiO 2 / Si, резкое 13-кратное уменьшение ρ C до 9,1 × 10 — 9 Ом · см 2 по сравнению с Ti / Si контакты были достигнуты. Снижение ρ C в контактах MIS объясняется уменьшением эффективных ϕ млрд .Borrel et al. [29] также изучали эффективность введения изолятора для уменьшения контактного сопротивления. Установлено, что МДП-контакт Zr / TiO 2 (15 Å) / n + -Si ( N d = 10 20 ) практически эквивалентен идеальному омическому контакту с ρ C из ~ 10 — 9 Ом · см 2 . Remesh et al. Также сообщили о сверхнизком значении ρ C 2,1 × 10 — 8 Ом · см 2 для контактов Yb / TiO 2 — x / n + -Si.[28].
В справочниках. [63,64], Yu et al. сравнили значения ρ C МДП контактов и МС контактов с различными концентрациями легирования полупроводников ( N d ). TiO 2 осаждается методом ALD между Ti и n + -Si с образованием МДП контактов, и в среднем было извлечено ρ C . Экспериментальные данные ρ C — N d показали, что значения MIS контактов ρ C намного ниже, чем у контактов Ti / Si под N d <~ 10 19 см — 3 и низкие ρ C могут быть получены значения ~ 10 — 8 Ом · см 2 .Однако, когда N d больше, чем 4 × 10 19 см — 3 , контакты Ti / n + -Si превосходят контакты Ti / TiO 2 / n + -Si. . Аналогичные исследования были проведены Kim et al. [65]. Было обнаружено, что при низком и умеренном уровнях легирования существенное снижение значений ρ C происходит для МДП контактов со вставками различных диэлектриков. Однако при более высоких уровнях легирования (> 10 20 см — 3 ) снижение значений ρ C является незначительным, поскольку это уменьшение ρ C , получаемое за счет уменьшения высоты барьера, становится незначительным. при высокой плотности легирования.В результате, МДП контакты в уменьшении ρ C имеют огромное преимущество на устройствах с относительно умеренно легированными ( N d <~ 10 20 см — 3 ) полупроводниками, но эффективность при высокой -уровень допинга не так высок, как ожидалось. Кроме того, также сообщалось, что контакты MIS с TiO 2 также страдают от проблемы термической стабильности TiO 2 , поскольку TiO 2 будет разлагаться во время быстрого термического процесса со скоростью всего лишь 300-500 ° C / л мин. и теряют достоинство МДП контакта — пассивацию изолятора и низкие ϕ млрд [66].В исх. [67] для решения этой проблемы предлагается повышенная термическая стабильность омических контактов Ti / TiO 2 / n-Ge за счет плазменного азотирования межфазного слоя TiO 2 .
|
Диод Шоттки или полупроводниковый диод с барьером Шоттки
Диод Шоттки — это еще один тип полупроводникового диода, который может использоваться в различных приложениях для формирования, переключения и выпрямления волны, как и любой другой диод с переходом.Основным преимуществом является то, что прямое падение напряжения диода Шоттки существенно меньше 0,7 В у обычного кремниевого диода с pn-переходом.
Диоды Шоттки находят множество полезных применений от выпрямления, преобразования сигналов и коммутации до логических вентилей TTL и CMOS, в основном из-за их низкой мощности и высокой скорости переключения. Логические вентили TTL Шоттки идентифицируются буквами LS, появляющимися где-то в их коде схемы логического элемента, например 74LS00.
Диоды с PN-переходом сформированы путем соединения полупроводникового материала p-типа и n-типа, что позволяет использовать его в качестве выпрямительного устройства, и мы видели, что когда с прямым смещением область истощения значительно уменьшается, позволяя току увеличиваться до поток через него в прямом направлении, и когда Reverse Biased обедненная область увеличивается, блокируя прохождение тока.
Смещение pn-перехода с использованием внешнего напряжения для прямого или обратного смещения уменьшает или увеличивает сопротивление барьера перехода соответственно.Таким образом, на соотношение напряжение-ток (характеристическая кривая) типичного диода с pn-переходом влияет значение сопротивления перехода. Помните, что диод с pn-переходом является нелинейным устройством, поэтому его сопротивление постоянному току будет изменяться как с напряжением смещения, так и с током через него.
При прямом смещении проводимость через переход не начинается до тех пор, пока внешнее напряжение смещения не достигнет «напряжения колена», при котором ток быстро увеличивается, а для кремниевых диодов напряжение, необходимое для возникновения прямой проводимости, составляет около 0.От 65 до 0,7 вольт, как показано.
Характеристики IV диода с PN переходом
Для практических диодов с кремниевым переходом это изгибное напряжение может составлять от 0,6 до 0,9 В в зависимости от того, как оно было легировано во время производства, и от того, является ли устройство малосигнальным диодом или выпрямительным диодом гораздо большего размера. Изгибное напряжение для стандартного германиевого диода , однако, намного ниже и составляет примерно 0,3 В, что делает его более подходящим для приложений с малым сигналом.
Но есть другой тип выпрямительного диода, который имеет небольшое напряжение излома, а также высокую скорость переключения, называемый барьерным диодом Шоттки или просто «диодом Шоттки». Диоды Шоттки могут использоваться во многих из тех же приложений, что и обычные диоды с pn-переходом, и имеют множество различных применений, особенно в цифровой логике, возобновляемых источниках энергии и приложениях для солнечных панелей.
Диод Шоттки
В отличие от обычного диода с pn-переходом, который сформирован из куска материала P-типа и куска материала N-типа, диоды Шоттки сконструированы с использованием металлического электрода, прикрепленного к полупроводнику N-типа.Поскольку они построены с использованием металлического соединения на одной стороне их перехода и легированного кремния на другой стороне, диод Шоттки, следовательно, не имеет обедненного слоя и классифицируется как униполярные устройства в отличие от типичных диодов с pn-переходом, которые являются биполярными устройствами.
Наиболее распространенным контактным металлом, используемым для изготовления диодов Шоттки, является «силицид», который представляет собой соединение кремния и металла с высокой проводимостью. Этот контакт силицидный металл-кремний имеет достаточно низкое значение омического сопротивления, позволяя протекать большему току, создавая меньшее прямое падение напряжения, примерно Vƒ <0.4В при проводке. Различные соединения металлов будут вызывать разные прямые падения напряжения, обычно от 0,3 до 0,5 вольт.
Конструкция и обозначение диода Шоттки
Выше показаны упрощенная конструкция и обозначение диода Шоттки, в котором слаболегированный кремниевый полупроводник n-типа соединен с металлическим электродом для образования так называемого «перехода металл-полупроводник».
Ширина и, следовательно, электрические характеристики этого перехода металл-полупроводник будут сильно зависеть от типа соединения металла и полупроводникового материала, используемого в его конструкции, но при прямом смещении электроны перемещаются из материала n-типа в металлический электрод, пропускающий ток.Таким образом, ток через диод Шоттки является результатом дрейфа основных носителей заряда.
Поскольку нет полупроводникового материала p-типа и, следовательно, нет неосновных носителей (дырок), при обратном смещении проводимость диодов прекращается очень быстро и меняется на блокировку тока, как в обычном диоде с pn-переходом. Таким образом, диод Шоттки очень быстро реагирует на изменения смещения и демонстрирует характеристики выпрямительного диода.
Как обсуждалось ранее, напряжение колена, при котором диод Шоттки включается и начинает проводить, находится на гораздо более низком уровне напряжения, чем его эквивалент pn-перехода, как показано на следующих ВАХ.
Характеристики IV диода Шоттки
Как мы видим, общая форма ВАХ металл-полупроводникового диода Шоттки очень похожа на характеристику стандартного диода с pn-переходом, за исключением того, что угловое или коленное напряжение, при котором диод с ms-переходом начинает проводить, намного ниже. около 0,4 вольт.
Из-за этого более низкого значения прямой ток кремниевого диода Шоттки может быть во много раз больше, чем у обычного диода с pn-переходом, в зависимости от используемого металлического электрода.Помните, что закон Ома говорит нам, что мощность равна вольтам, умноженным на амперы (P = V * I), поэтому меньшее прямое падение напряжения для данного тока диода, I D , приведет к меньшему рассеянию прямой мощности в виде тепла на переходе. .
Эти более низкие потери мощности делают диод Шоттки хорошим выбором для низковольтных и сильноточных приложений, таких как солнечные фотоэлектрические панели, где прямое падение напряжения (V F ) на стандартном диоде с pn-переходом приведет к чрезмерному эффект нагрева.
Однако следует отметить, что обратный ток утечки (I R ) для диода Шоттки обычно намного больше, чем для диода с pn-переходом.
Однако обратите внимание, что если кривая ВАХ показывает более линейную характеристику без выпрямления, то это омический контакт . Омические контакты обычно используются для соединения полупроводниковых пластин и микросхем с внешними соединительными контактами или схемами системы. Например, подключение полупроводниковой пластины типичного логического элемента к контактам его пластикового двухрядного (DIL) корпуса.
Также из-за того, что диод Шоттки изготавливается с переходом металл-полупроводник, он, как правило, немного дороже, чем стандартные кремниевые диоды с pn-переходом, которые имеют аналогичные характеристики напряжения и тока. Например, серия 1N58xx Schottky на 1,0 ампер по сравнению с серией 1N400x общего назначения.
Диоды Шоттки в логических воротах
Диод Шоттки также широко используется в цифровых схемах и широко используется в цифровых логических вентилях и схемах с транзисторно-транзисторной логикой Шоттки (TTL) из-за их более высокой частотной характеристики, уменьшенного времени переключения и более низкого энергопотребления.Там, где требуется высокоскоростное переключение, очевидным выбором будет TTL на основе Шоттки.
Существуют разные версии Schottky TTL с разной скоростью и потребляемой мощностью. Три основных логических ряда TTL, в конструкции которых используется диод Шоттки, представлены как:
- ТТЛ с зажимом на диоде Шоттки (серия S) — ТТЛ Шоттки серии «S» (74SXX) представляет собой улучшенную версию оригинального диодно-транзисторного DTL и логических элементов и схем ТТЛ серии 74 транзистор-транзистор.Диоды Шоттки размещаются поперек перехода база-коллектор переключающих транзисторов, чтобы предотвратить их насыщение и создание задержек распространения, позволяющих ускорить работу.
- Low-Power Schottky (серия LS) — скорость переключения транзисторов, стабильность и рассеиваемая мощность TTL серии 74LSXX лучше, чем у предыдущей серии 74SXX. Помимо более высокой скорости переключения, маломощные семейство Schottky TTL потребляет меньше энергии, что делает серию 74LSXX TTL хорошим выбором для многих приложений.
- Advanced Low-Power Schottky (серия ALS) — Дополнительные улучшения в материалах, используемых для изготовления ms-переходов диодов, означают, что серия 74LSXX имеет уменьшенное время задержки распространения и намного меньшее рассеивание мощности по сравнению с сериями 74ALSXX и 74LS. Однако, поскольку это более новая технология и более сложная внутренняя конструкция, чем стандартный TTL, серия ALS немного дороже.
Транзистор Шоттки с зажимом
Все предыдущие затворы и схемы ТТЛ Шоттки используют транзистор с ограничениями Шоттки, чтобы не допустить их резкого перехода в насыщение.
Как показано, транзистор Шоттки с ограничением по сути представляет собой стандартный транзистор с биполярным переходом с диодом Шоттки, подключенным параллельно через его переход база-коллектор.
Когда транзистор нормально проводит в активной области своих характеристик, переход база-коллектор имеет обратное смещение, поэтому диод имеет обратное смещение, позволяя транзистору работать как нормальный npn-транзистор. Однако, когда транзистор начинает насыщаться, диод Шоттки становится смещенным в прямом направлении и зажимает переход коллектор-база до нуля.Значение изгиба 4 вольт, предохраняющее транзистор от жесткого насыщения, так как любой избыточный базовый ток шунтируется через диод.
Предотвращение насыщения логических схем, переключающих транзисторы, значительно снижает время задержки их распространения, что делает схемы Шоттки TTL идеальными для использования в триггерах, генераторах и микросхемах памяти.
Резюме диода Шоттки
Мы видели здесь, что диод Шоттки , также известный как диод с барьером Шоттки , представляет собой твердотельный полупроводниковый диод, в котором металлический электрод и полупроводник n-типа образуют ms-переход диодов, что дает ему два основных преимущества перед традиционные диоды с pn-переходом, более высокая скорость переключения и низкое напряжение прямого смещения.
Переход металл-полупроводник или ms-переход обеспечивает гораздо более низкое изгибное напряжение, обычно от 0,3 до 0,4 В по сравнению со значением от 0,6 до 0,9 В, наблюдаемым в стандартном кремниевом базовом диоде с pn-переходом при таком же значении прямого тока.
Различия в металлических и полупроводниковых материалах, используемых для их конструкции, означают, что диоды Шоттки из карбида кремния (SiC) могут включаться при прямом падении напряжения всего 0,2 В, при этом диод Шоттки заменяет менее используемый германиевый диод в многие приложения, требующие низкого напряжения колена.
Диоды Шотткибыстро становятся предпочтительным выпрямительным устройством в низковольтных и сильноточных приложениях для использования в возобновляемых источниках энергии и солнечных панелях.
Однако, по сравнению с аналогами с pn-переходом, обратные токи утечки диодов Шоттки больше, а их обратное напряжение пробоя ниже и составляет около 50 вольт.
Более низкое напряжение включения, более быстрое время переключения и пониженное энергопотребление делают диод Шоттки чрезвычайно полезным во многих приложениях для интегральных схем, среди которых логические вентили серии 74LSXX TTL являются наиболее распространенными.
Переходы металл – полупроводник можно также заставить работать как «омические контакты», а также как выпрямительные диоды путем нанесения металлического электрода на сильно легированные (и, следовательно, с низким удельным сопротивлением) полупроводниковые области. Омические контакты проводят ток одинаково в обоих направлениях, позволяя полупроводниковым пластинам и схемам подключаться к внешним клеммам.
Контакты металл-полупроводник — Engineering LibreTexts
Контакт металл-полупроводник (МС) является важным компонентом в работе большинства полупроводниковых устройств в твердом состоянии.Как следует из названия, МС-переход заключается в том, что металл и полупроводниковый материал находятся в тесном контакте. В основном, есть два типа контактов MS, которые широко используются в полупроводниковых устройствах:
- Выпрямительные диоды Шоттки
- Омический контакт без выпрямления
Введение
Принцип формирования различных типов контакта металл-полупроводник заключается в несоответствии энергии Ферми между металлом и полупроводниковым материалом, которое происходит из-за разницы в работе выхода.На рис. 1 показана диаграмма энергетических зон после установления контакта. Как показано на рисунке 1, уровень вакуума \ (E_0 \), минимальная энергия, необходимая для высвобождения электрона из материала, используется для выравнивания металла и полупроводника вместе. Работа выхода \ (\ Phi \) определяется как разность энергий между энергией Ферми и уровнем вакуума. Сродство к электрону \ (\ chi \) определяется как энергия, необходимая для перемещения электрона с уровня вакуума в зону проводимости:
\ [\ chi = (E_0 — E_c) _ {FB} | _ {\ text {surface}}.\]
Когда металл и полупроводник соединяются, мгновенно образуется идеальный МС-контакт. Если в процессе контактирования движение электронов не происходит, зонная диаграмма контакта будет такой, как на рисунке 1, где имеется несоответствие между энергией Ферми (\ (E_ {FM}) \) в металле и энергией Ферми в металле. полупроводник (\ (E_F) \). Для идеального контакта с MS сделано несколько предположений:
- Металл и полупроводник находятся в тесном контакте, что означает, что между контактом в атомном масштабе нет оксидных или заряженных слоев.
- Нет перемешивания и взаимной диффузии между металлом и полупроводником.
- На интерфейсе МС нет примесей.
Сродство к электрону \ (\ chi \) и работа выхода металла \ (\ Phi_M \) являются инвариантными фундаментальными свойствами, на которые процесс контактирования не влияет.Однако работа полупроводников связана с сродством к электрону, зоной проводимости и энергией Ферми:
\ [\ Phi_S = \ chi + (E_c — E_F) _ {FB} \ label {1} \]
где
\ [\ chi = (E_0 -E_F) \ label {2} \]
Однако ситуации на рисунке 1 не находятся в состоянии равновесия, поскольку энергия Ферми в металле не совпадает с энергией Ферми в полупроводнике (\ (E_ {FS} \ neq E_ {FM} \)). Следовательно, электроны будут продолжать перемещаться между полупроводником и металлом до тех пор, пока \ (E_F \) не выровняется, что вызовет образование обедненной области между контактом MS.При различных характеристиках интерфейса металл-полупроводник будут сформированы два типа МС-контакта: выпрямляющий барьерный контакт Шоттки и омический контакт.
Контакт с барьером Шоттки
Контакт с барьером Шоттки относится к контакту MS, имеющему большую высоту потенциального барьера, образующегося, когда энергии Ферми металла и полупроводника совмещены. Высота барьера \ (\ Phi_B \) определяется как разность энергий между краем зоны с основными носителями и энергией Ферми металла.Поскольку барьеры Шоттки могут привести к выпрямительным характеристикам, он обычно используется в качестве диода, который представляет собой одиночный переход MS с выпрямительными характеристиками. Полупроводники как n-типа, так и p-типа могут образовывать контакт Шоттки, такие как силицид титана и силицид платины.
В условиях равновесия (приложенное смещение V = 0)
Рассмотрим случай \ (\ Phi_M> \ Phi_S \), электроны будут переходить от полупроводника к металлу из-за своей большей энергии, пока не будет установлено условие равновесия.Чистая потеря электронов создает отрицательный заряд в металле и положительный заряд в полупроводнике, что приводит к обеднению и росту барьера на поверхности полупроводника. В результате равновесная зонная структура для металла и полупроводника n-типа показана на рисунке 2.
Рис. 2. Flat b и диаграмма контакта MS в состоянии равновесияПоверхностный барьер потенциальной энергии \ (\ Phi_B \), основная характеристика барьера Шоттки, характеризуется высотой барьера Шоттки, которая является функция металла и полупроводника:
\ [\ Phi_B = \ Phi_M — \ chi, \ quad \ text {для полупроводников n-типа} \ label {3} \]
\ [\ Phi_B = {E_g \ over q} + \ chi — \ Phi_M, \ quad \ text {для полупроводника p-типа} \ label {4} \]
Барьер имеет высокое сопротивление даже при небольшом приложенном напряжении.Поскольку высота потенциального барьера может регулироваться смещением напряжения, которое оказывает значительное влияние на электрический ток, протекающий через барьер, представляет интерес влияние прямого смещения и обратного смещения.
Эффект смещения
Рассмотрим контакт \ (\ Phi_M> \ Phi_S \) MS, ток \ (I \) будет сформирован, если есть приложенное смещение \ (V_A \) на металле и полупроводник подключен для заземления. (Рисунок 3) Ток считается положительным, когда он течет от металла к полупроводнику.
Рис. 3. Контакт MS к приложенному постоянному току. biasПрямое смещение
При прямом смещении (\ (V_A> 0 \)) работа MS-перехода показана на рисунке 4. Энергия Ферми металла становится ниже, чем энергия Ферми в полупроводнике \ (E_F \), что приводит к уменьшению потенциального барьера \ (\ Phi_B \) через полупроводник. Следовательно, электронам будет намного легче проходить через барьер, что значительно облегчает диффузию электронов от полупроводника к металлу.Следовательно, по мере увеличения \ (V_A \) ток будет быстро увеличиваться, поскольку большее количество электронов сможет преодолеть поверхностный барьер, не возвращаясь назад, что соответствует противоположному направлению тока. Электронов, диффундирующих из полупроводника к металлу, будет больше, чем электронов, дрейфующих в полупроводник, через МС-переход будет генерироваться положительный ток.
Рис. 4. Диаграмма диапазона энергий и активность несущей при прямом смещении (\ (V_A> 0 \))Обратное смещение
При отрицательном смещении, приложенном к металлу (\ (V_A <0 \)), работа MS-перехода показана на рисунке 5.Энергия Ферми металла становится выше энергии Ферми в полупроводнике, что приводит к увеличению барьерного потенциала на МС-переходе. Большой барьер блокирует диффузию электронов из полупроводника в металл. При небольшом обратном смещении только небольшое количество электронов в металле может преодолеть потенциальный барьер. Следовательно, ток \ (I \) станет небольшой константой при обратном смещении, которое характеризуется как выпрямляющее поведение.
Рисунок 5.{qV_A / kT} -1), \ quad \ text {where} \) \ (I_0 \) — ток насыщения \ (\ label {5} \)При прямом смещении (\ (V_A> 0 \)), когда прямое смещение превышает несколько \ (kT / q \) вольт, в токе будет преобладать экспоненциальный член. Для обратного смещения (\ (V_A <0 \)), когда обратное смещение больше нескольких \ (kT / q \) вольт, экспоненциальным членом пренебрегают, что приводит к небольшому току насыщения: \ (I = - I_0 \). Характеристики \ (IV \) показаны на рисунке 6.
Рисунок 6. Схематическая \ (IV \) характеристика диодов ШотткиОмический контакт
Не весь MS-контакт может работать как выпрямительный диод Шоттки, так как не образуется потенциальный барьер.В этой ситуации, когда ток может проходить в обоих направлениях контакта MS, контакт определяется как омический контакт. Идеальный омический контакт — это низкое сопротивление, а между границей раздела металл-полупроводник существует не выпрямляющий переход без потенциала. Рассмотрим случай на рисунке 1 (b), контакт МС с \ (\ Phi_M <\ Phi_S \), электроны будут переходить от металла к полупроводнику из-за их низкой энергии, что приведет к перемещению уровня Ферми в полупроводнике вверх до тех пор, пока состояние равновесия устанавливается.Зонная диаграмма в состоянии равновесия показана на рисунке 7 (а).
(а) (б)
Рис. 7. (a) Диаграмма энергетических зон в состоянии равновесия для \ (\ Phi_M <\ Phi_S \) и (b) Схематическая \ (IV \) характеристики омического контакта
Поскольку нет барьерной структуры для потока электронов от полупроводника к металлу, даже очень небольшое напряжение прямого смещения (\ (V_A> 0 \)) приведет к увеличению тока прямого смещения. Когда прикладывается обратное напряжение смещения, для потока электронов от металла к полупроводнику образуется небольшой потенциальный барьер.Однако небольшой барьер в конечном итоге исчезнет, когда напряжение обратного смещения станет больше. Следовательно, существует большой обратный ток, когда \ (V <0 \). Характеристика \ (I-V \) показана на рисунке 7 (b).
В отличие от выпрямляющего контакта Шоттки, омический контакт ведет себя по линейной кривой \ (I-V \), которая соответствует закону Ома как в прямом, так и в обратном смещении.
Заключение
В целом, для металла и полупроводника n-типа выпрямляющий контакт Шоттки образуется, когда \ (\ Phi_M> \ Phi_S \), а омический контакт формируется, когда \ (\ Phi_M <\ Phi_S \).Аналогично, для металла и полупроводника p-типа, контакт MS будет выпрямлять Шоттки, когда \ (\ Phi_M <\ Phi_S \), и омический контакт, когда \ (\ Phi_M> \ Phi_S \). Обобщение типов контактов приведено в таблице 1.
| полупроводник n-типа | полупроводник p-типа | |
|---|---|---|
| \ (\ Phi_M> \ Phi_S \) | Выпрямительный | омическая |
| \ (\ Phi_M <\ Phi_S \) | омическая | Выпрямительный |
Вопросы
1.Покажите диаграмму зон равновесия между металлом и полупроводником p-типа, где (a) \ (\ Phi_M <\ Phi_S \) и (b) \ (\ Phi_M <\ Phi_S \)
2. Найдите выражение для барьера высота \ (\ Phi_B \) выпрямительного контакта р-типа
3. Когда контакт MS формируется для \ (\ Phi_M = \ chi \), при каких условиях контакт будет вести себя как омический контакт, и при каких условиях контакт будет вести себя как выпрямляющий?
Ответы
1. (a) Для металла и полупроводника p-типа диаграммы зон равновесия показаны ниже:
2.Поскольку \ (\ quad E_c — E_ {FM} = \ Phi_M — \ chi \), отсюда следует, что
\ (\ Phi_B = E_ {FM} — E_ {v (interface)} = (E_c -E_v) — (E_ {c (interface)} = E_ {FM} \).
Следовательно, \ (\ Phi_B = E_G + \ chi — \ Phi_M \ quad \ text {для идеального контакта MS p-типа} \)
3. Если \ (\ Phi_M = \ chi \) в идеальном МС-контакте, формирование типов контактов не будет зависеть от типа легирования полупроводника.
Список литературы
1. Роберт Ф. Пьер, Основы полупроводниковых устройств, второе издание.Глава 14, страницы 477-491.
2. John Wiley & Sons, Sze, S.M., Physics of Semiconductor Devices
Авторы и авторство
- Шерри Куй (Калифорнийский университет в Дэвисе, материаловедение и инженерия)
Эффект электрической настройки для барьера Шоттки и сбор горячих электронов в плазмонной наноструктуре Au / TiO2
Для достижения электрической настройки барьера Шоттки и дальнейшего управления инжекцией горячих электронов от Au к TiO 2 необходимо внешнее смещение. эффективно применяется на переходе Шоттки Au – TiO 2 .В этом смысле следует подтвердить наличие барьера Шоттки на границе раздела Au – TiO 2 исследуемой структуры, а барьера на других границах раздела в структуре следует избегать. На рис. 1а ток структуры In-Ga / TiO 2 / In-Ga пропорционален напряжению от -2 до 2 В, что показывает омическую характеристику. Сплав In-Ga соединяет TiO 2 и электрод с омическим контактом, поэтому контактные свойства TiO 2 с Au или ITO могут быть выявлены путем замены одного из слоев сплава In-Ga.В структуре Au / TiO 2 / In-Ga контакт Шоттки Au и TiO 2 может быть подтвержден нелинейной (вольт-амперной) кривой I-V на правой панели рис. 1b. Высота барьера Шоттки, рассчитанная по данным I – V методом Ченга, составляет приблизительно 0,8 эВ 31,32 . В то время как для структуры In-Ga / TiO 2 / ITO линейный график I — V на рис. 1c показывает, что ITO и TiO 2 также находятся в омическом контакте.Следовательно, в структуре АТ, изготовленной на стекле ITO, барьер Шоттки присутствует только на границе раздела Au и TiO 2 .
Рисунок 1Схематические изображения ( a ) In-Ga / TiO 2 / In-Ga, ( b ) Au / TiO 2 / In-Ga и ( c ) In- Ga / TiO 2 ячейки / ITO (слева) и их измеренные кривые I – V (справа).
Когда структура AT была испытана в качестве рабочего электрода в электрохимической ячейке, падение напряжения также происходит на границах раздела металл-электролит, включая границы наночастиц-электролит и противоэлектрод-электролит, из-за двойного электрического слоя на границах раздела.Однако наличие барьера Шоттки Au – TiO 2 делает эту долю склонной к небольшой. Кроме того, разные уровни Ферми TiO 2 и электролита приводят к образованию слоя пространственного заряда на границе раздела TiO 2 -электролит и дополнительно индуцируют еще один барьер TiO 2 -электролит на границе раздела. Барьер параллелен барьеру Шоттки Au – TiO 2 , избегая короткого замыкания последнего. Следовательно, внешнее смещение может быть эффективно применено к переходу Шоттки Au и TiO 2 , в то время как часть падения напряжения неизбежно присутствует на других интерфейсах и компонентах исследуемой системы.Электрическая перестройка барьера Шоттки может быть обнаружена экспериментально при различных напряжениях смещения.
I — Кривая V образца АТ в электрохимической ячейке также была измерена и показана на рис. 2а. Нелинейная кривая и расчетная высота барьера Шоттки, составляющая приблизительно 0,8 эВ, соответствуют вышеприведенному анализу. На рис. 2б показаны фототоки структуры АТ с диаметром нанодиска 80 нм (D80) и 100 нм (D100) при различных напряжениях смещения. Возбужденные падающим светом горячие электроны, генерируемые распадом локализованного поверхностного плазмона (LSP) в нанодисках Au, проходят через барьер Шоттки к пленке TiO 2 и индуцируют положительные фототоки.При приложении смещения 300 мВ фототоки обоих образцов значительно увеличиваются в несколько раз. Учитывая, что горячие электроны, возбужденные на определенной длине волны в нанодисках, имеют почти одинаковое распределение энергии, можно сделать вывод, что усиление фототока происходит из-за эффекта электрической настройки барьера Шоттки, который влияет на эффективность переноса горячих электронов от нанодисков Au к TiO. 2 пленка.
Рис. 2( a ) I – V кривая AT с диаметром нанодиска 80 нм.( b ) Соотношение фототока и интенсивности света для образцов AT с диаметром нанодиска 80 нм и 100 нм при напряжениях смещения 0 мВ и 300 мВ, а также при длине волны возбуждения 580, 630 и 700 нм.
Bias настраивает барьер Шоттки в различных аспектах, как показано на рис. 3. Когда обратное смещение (\ (V_ {a} <0 \), положительное на полупроводниковой стороне, отрицательное на металлической стороне) применяется к Шоттки перехода, уровень Ферми полупроводника (\ (E_ {f} \)) понижается со степенью от \ (\ left | {qV_ {a}} \ right | \) до \ (E_ {f} ^ {^ {\ основной}}\). {2} \ varepsilon_ {s} N_ {d} \ left ({V_ {i} - V_ {a}} \ right)}}}} $
(2)
Рис. 3Схематическое изображение генерации горячих электронов и энергетических зон для перехода Шоттки без смещения (синие линии) и при обратном смещении (голубые линии).
Можно видеть, что по мере увеличения величины приложенного обратного напряжения x м уменьшается, и барьер Шоттки смещается ближе к границе раздела металл-полупроводник.
Падающий свет с энергией фотонов выше барьера Шоттки возбуждает горячие электроны в металле и переносит их из металла в зону проводимости полупроводника. Этот эффект также называется внутренней фотоэмиссией, и на его эффективность (\ (\ eta \)) влияет несколько факторов, а именно:
$$ \ eta = AF_ {e} P_ {E} \ eta_ {c} $$
(3)
где \ (A \) — оптическое поглощение металлической части, \ (F_ {e} \) — доля фотонов, генерирующих фотоэлектроны и участвующих в фототоке, \ (P_ {E} \) — вероятность фотовозбужденных электронов. преодоление барьера Шоттки после рассеяния на холодных электронах и граничной поверхности, \ (\ eta_ {c} \) — эффективность сбора барьером.Среди четырех вышеуказанных параметров \ (A \) и \ (P_ {E} \) не зависят от барьера Шоттки, а \ (F_ {e} \) и \ (\ eta_ {c} \) являются функциями барьера Шоттки. высота и максимальное положение барьера Шоттки соответственно 33 .
Чтобы показать, как смещение, настраиваемое барьером Шоттки, влияет на внутреннюю фотоэмиссию и сбор горячих электронов, анализируются отношения между смещением и \ (F_ {e} \), \ (\ eta_ {c} \). Эффективности преобразования падающих фотонов в электроны (IPCE) структуры AT (D80) при различных напряжениях смещения были измерены и рассчитаны в соответствии с
$$ {\ text {IPCE}} = \ frac {{n_ {e}}} { N} = \ frac {h \ cdot c \ cdot I} {{e \ cdot P \ cdot \ lambda}} $$
(4)
, где n e , N , h , c , I , e , P и λ собраны номер фотоэлектрона, постоянное количество фотонов, планка , скорость света, фототок, заряд электрона, мощность падающего света и длина волны света соответственно.Как показано на рис. 4а, IPCE при всех условиях смещения демонстрируют пик около 600 нм для LSPR структуры. При этом условии резонанс приводит к усилению генерации плазмонных горячих электронов. Кроме того, IPCE значительно увеличиваются при смещении от -100 до 700 мВ, что согласуется с фототоками на рис. 2. Пик IPCE со смещением 700 мВ примерно в семь раз выше, чем без смещения. Оценка по формуле. (2) при общих параметрах TiO 2 , изменение высоты барьера Шоттки, вызванное смещением (<1 В) для границы раздела Au – TiO 2 , довольно мало (десятки милливольт) 29,34 .По сравнению с общей высотой барьера Шоттки около 1 эВ влиянием приложенного напряжения на \ (F_ {e} \), которое является функцией высоты барьера Шоттки, можно пренебречь, и оно не может поддерживать значительное увеличение IPCE со смещением. .
Рисунок 4( a ) Данные IPCE для образца AT с диаметром нанодиска 80 нм при различных напряжениях смещения и ( b ) изменение IPCE со смещением на длине волны 540, 600 и 750 нм из экспериментальных данных (полые отметки) и результаты аппроксимации (штриховые кривые).{{- \ frac {1} {4}}}}} \). Параметры фитинга приведены в таблице 1. Согласно формуле. (3), \ (k \) пропорционален \ (AF_ {e} P_ {E} \) и изменяется с \ (A \) на разных длинах волн. Видно, что аппроксимированные штриховые кривые на рисунке хорошо согласуются с экспериментальными данными. Более того, подгонка на разных длинах волн находится в хорошем согласии, имея одинаковые подгоночные параметры \ (V_ {i} = 130 {} \; {\ text {mV}} \) и \ (B = 15 \). Полученная кривизна зоны проводимости \ (qV_ {i} \) 0,13 эВ здесь довольно близка к кривизне в ссылках 35 и дополнительно подтверждает результаты подгонки.{{- \ frac {1} {4}}} \), по мере увеличения обратного смещения положение максимума барьера Шоттки смещается к границе раздела металл – полупроводник и уменьшается до 63% от примитивного при обратном смещении 700 мВ. Фактически, \ (x_ {m} \) может быть дополнительно электрически настроен на 56% от первоначального значения при напряжении обратного смещения 1,2 В, выше которого произойдет электролиз воды. Выведенное положение максимума барьера Шоттки значительно увеличивает эффективность сбора горячих электронов барьером Шоттки и, таким образом, обеспечивает улучшенный фототок.
Таблица 1 Параметры настройки IPCE, изменяющиеся в зависимости от смещения на разной длине волны.Исследовательская группа Аппенцеллера
Чтобы использовать новые 2D-материалы в электронных устройствах, важно обеспечить хорошие электрические контакты с материалами. Более того, при извлечении таких свойств материалов, как подвижность, нам необходимо понимать эффекты контактов, чтобы отделить их от внутренних свойств.
Путем анализа экспериментальных результатов мы обнаружили для многих интересующих 2D материалов, таких как дихакольгениды переходных металлов (TMD) и черный фосфор, что контакты металл-полупроводник относятся к типу с барьером Шоттки.Ниже приводится краткое описание некоторых основных характеристик устройств с барьером Шоттки.
MoS
2 Транзистор с барьером Шоттки и скандиевым контактомМы представляем тщательное экспериментальное исследование контактов с MoS 2 с использованием металлов с низкой работой выхода, таких как скандий (Φ M = 3,5 эВ) и титана (Φ M = 4,3 эВ), а также металлов с большой работой выхода, таких как никель. (Φ M = 5,0 эВ) и платины (Φ M = 5.9 эВ), чтобы пролить свет на влияние барьеров Шоттки на транспорт носителей в полевых транзисторах MoS 2 . Из подробного исследования, зависящего от температуры, которое рассматривает как термоэмиссию через барьер Шоттки, так и туннелирование через него с помощью термического воздействия, мы извлекли высоту барьера Шоттки для различных металлических электродов и нашли ∼230 мэВ для платины, ∼150 мэВ для никель, ∼50 мэВ для титана и ∼30 мэВ для скандия. Наши эксперименты однозначно свидетельствуют о том, что граница раздела MoS 2 -металл сильно зависит от пиннинга уровня Ферми вблизи зоны проводимости MoS 2 , как и в случае многих материалов III-V и кремния.
Мы демонстрируем, что благодаря правильному пониманию и конструкции контактов исток / сток и правильному выбору количества слоев MoS 2 можно получить превосходные внутренние свойства этого двухмерного материала. При использовании скандиевых контактов на расслоенных хлопьях MoS 2 толщиной 10 нм, покрытых пленкой Al 2 O 3 толщиной 15 нм, достигается высокая эффективная подвижность 700 см 2 / (В · с) при комнатная температура. Этот прорыв во многом объясняется тем фактом, что нам удалось устранить эффекты контактного сопротивления, которые ограничивали производительность устройства в прошлом, но не были признаны (см. Nano Letters, 2013, 13, 100-105).
Авторы: Саптарши Дас, Ашиш Пенумача
Рисунки адаптированы с разрешения Nano Lett., 2013, 13, стр. 100–105. Авторское право © 2012 Американское химическое общество.
Возможность настройки эффектов короткого канала в MoS
2 Транзисторы с барьером ШотткиMoS 2 Транзисторы были электрически охарактеризованы и проанализированы с точки зрения их уязвимости к эффектам короткого канала и их реакции на различные среды.Мы обнаружили, что электрические характеристики хлопьев MoS 2 определяются неожиданной зависимостью от эффективной толщины тела устройства, которая, в свою очередь, зависит от количества интеркалированных молекул воды, которые существуют в слоистой структуре. В частности, мы наблюдаем, что стадия легирования полевого транзистора (FET) MoS 2 сильно зависит от окружающей среды (воздух / вакуум). Наиболее важно то, что наши результаты показывают, что на характеристики устройства MoS 2 может существенно повлиять настройка электростатики устройства.Это может быть достигнуто путем управления эффективной толщиной активного тела полевого транзистора MoS 2 с использованием интеркаляции и создания эффективного барьера между отдельными слоями MoS 2 (см. Nano Letters 15, 301-306).
Автор: Фэн Чжан
Рисунки и аннотации адаптированы с разрешения из Nano Letters 15, 301-306. Авторские права © Американское химическое общество, 2014 г.
MOSFET с черным фосфором и барьером Шоттки и моделирование
Черный фосфор (BP) — это заново открытый многослойный 2D-материал.Каждый монослой состоит из сморщенных атомов фосфора. Множественные монослои удерживаются вместе слабыми силами Ван-дер-Ваала. БП обладает очень высокой подвижностью (200-1000 см, 2 / В-с) и прямой запрещенной зоной. Это делает его привлекательным для ВЧ-приложений, а также для оптоэлектронных приложений благодаря настраиваемой ширине запрещенной зоны. Также предпринимаются усилия по созданию туннельных полевых транзисторов с использованием BP.
Прежде, чем мы начнем использовать 2D-материалы для создания устройств, чрезвычайно важно изучить свойства их материалов.Одним из важнейших аспектов 2D-материалов является граница раздела металл-полупроводник. Транзисторы BP, как и транзисторы TMD, представляют собой полевые МОП-транзисторы с барьером Шоттки. МОП-транзистор с барьером Шоттки (SB-MOSFET) можно рассматривать как два последовательно соединенных диода Шоттки с выводом затвора, управляющим всем каналом от истока до стока. В выключенном состоянии устройства, когда заряд в канале незначителен, а передача через устройство ограничена барьерами Шоттки на истоке и стоке, передаточная характеристика может быть количественно описана с помощью простой модели Ландауэра.Подбирая измеренные передаточные характеристики с использованием этой модели, можно получить большой объем информации о границе раздела металл-полупроводник. Мы использовали эту модель для определения высоты как электронного, так и дырочного барьера Шоттки для пермаллоя и палладия и черного фосфора. Эта модель может быть расширена на другие двухмерные полевые МОП-транзисторы (см. Nature Communications 6, 6: 8948-1 — 6: 8948-8).
Авторы: Ашиш Пенумача, Рамон Салазар
Что такое диоды с барьером Шоттки (SBD)? | Полупроводник
Структура диодов с барьером Шоттки
В диоде используется не p-n переход, а переход с одним типом металла с одной стороны и полупроводником n-типа с другой.Такой тип соединения называется переходом Шоттки.
Диоды с барьером Шоттки имеют чрезвычайно низкое напряжение V F и чрезвычайно высокую скорость, поскольку не используют отверстия. Эту точку можно было бы назвать идеальной, но обратный ток I R велик, что делает ее непригодной в качестве элемента, выдерживающего высокое напряжение.
Прямое смещение
Обратное смещение
1.V
F маленький ◎V F чрезвычайно мал по сравнению с диодом с p-n переходом, обеспечивая высокий КПД с небольшими прямыми потерями.
2. Чрезвычайно высокоскоростной ◎
Есть высокоскоростное переключение без trr, потому что нет дырочных носителей.
3. обратный ток большой △
Обратные потери больше, чем у p-n диода, потому что обратный ток I R велик.
Обратный ток различается в зависимости от типа металла барьера.SBD можно разделить на разные типы в зависимости от типа используемого барьерного металла.
Различия статических характеристик между типами диодов
Самым большим преимуществом SBD является его маленький V F .
Однако I R имеет большие размеры и поэтому не подходит в качестве диода для выдерживания высокого напряжения.
Выбор и использование диодов с барьером Шоттки
- Компромисс между V F и I R
В свое время было много диодов, ориентированных на низкий V F .Возникла проблема с тепловым разгоном (как описано ниже) из-за большого обратного тока, что положило начало тенденции отказа от использования SBD в зависимости от типа промышленности.
В последнее время используются более низкие типы I R , которые обеспечивают большую стабильность даже в условиях высоких температур.
Форвардный убыток по SBD
Когда ток I F течет в прямом направлении по диоду, происходит падение напряжения V F , что приводит к потере мощности.
Как показано на рисунке, V F имеет отрицательные температурные характеристики, что снижает прямые потери при повышении температуры. V F продолжает уменьшаться практически линейно по отношению к температуре.
- Пример форвардных характеристик на SBD
Обратный проигрыш на SBD
Когда на диод подается напряжение V R в обратном направлении, возникает обратный ток I R , что приводит к потере мощности.
Как показано на рисунке, V F имеет положительные температурные характеристики, что увеличивает обратные потери при повышении температуры. I R продолжает экспоненциально увеличиваться в размерах относительно температуры.
Это не проблема для p-n диода, потому что I R очень мал. Однако следует проявлять осторожность при выборе SBD, потому что IR нельзя игнорировать на SBD.
- Пример характеристик обратного направления на SBD
Взаимосвязь между температурой и потерями на SBD
Прямые потери линейно уменьшаются с увеличением температуры, но обратные потери возрастают экспоненциально.
Температура меняется в зависимости от условий работы контура. Однако необходимо спроектировать отвод тепла так, чтобы не происходило теплового разгона, поскольку потери изменяются на увеличение при определенной температуре. В случае теплового разгона температура продолжает повышаться и в конечном итоге выходит из строя или останавливается.
Температурный побег?
- Когда рассеивается более чем достаточное количество тепла, внутреннее тепло, вызванное потерями в элементе, рассеивается в достаточной степени.
- Когда теплоотдача ограничена, внутреннее тепло, вызванное потерями в элементе, пропорционально.
- Когда имеется ограниченное рассеивание тепла, это ограничение делает невозможным рассеивание большого внутреннего тепла, вызванного потерями в элементе.
Что необходимо учитывать для предотвращения теплового разгона
- Температурный разгон происходит даже в пределах гарантированного диапазона температур SBD.
- Даже в случае теплового разгона SBD не обязательно сломается.
- Температура, вызывающая тепловое ускорение, изменяется в зависимости от условий эксплуатации.
- Температура, вызывающая тепловыделение, изменяется также в зависимости от условий рассеивания тепла.
- Термический разгон легко возникает, потому что чем ниже V F , тем больше становится I R на SBD.
Восприимчивость к тепловому разгону по типу SBD
С учетом импульсного блока питания
Low V
F типНизкие потери при нормальной температуре, однако существует большой риск теплового разгона при высокой температуре.
Низкий I
R типПри нормальной температуре возникают большие потери, но риск теплового разгона невелик.
Типы со сверхнизким V F могут иметь тепловой разгон даже при Tj = 70 ° C. С другой стороны, типы со сверхнизким значением I R могут быть невосприимчивыми к тепловому разгоне даже при Tj = 150 ° C.
Выбор и использование для применения
- Применение, в котором обычно не возникает обратного напряжения, например, для предотвращения обратного соединения или соединения ORing
-> Сверхнизкое напряжение F тип, низкое V F тип - Применение, где обычно возникает обратное напряжение, например импульсный источник питания
-> Стандартный тип, низкий I R тип - Применение, которое предполагает использование, в частности, в условиях высоких температур, например, использование на транспортных средствах
-> Сверхнизкий I R тип