Металл-жартылайөткішгіш қосылыстағы потенциалдық кедергі
Schottky barrier
Шоттки барьеры: металл-жартылайөткіш қосылыстағы электрон үшін потенциалдық кедергі. Диод ретінде қолданылады, ΦB биіктігі маңызды. Омик байланыс та бар.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Металл–жартылай өткізгіш түйісулеріндегі потенциалдық энергия кедергісі
Potential energy barrier in metal–semiconductor junctions
Шотки кедергісі, Уолтер Х. Шотки есімімен аталады, металл–жартылай өткізгіш түйісуінде электрондар үшін қалыптасатын потенциалдық энергия кедергісі. Шотки кедергілері диод ретінде қолдануға қолайлы түзету қасиеттеріне ие. Шотки кедергісінің басты сипаттамаларының бірі – Шотки кедергісінің биіктігі, ΦB (суретті қараңыз) деп белгіленеді. ΦB мәні металл мен жартылай өткізгіштің комбинациясына байланысты. Барлық металл–жартылай өткізгіш түйісулері түзетуші Шотки кедергісін жасамайды; екі бағытта ток өткізетін, Шотки кедергісі тым төмен болғандықтан түзетілмейтін металл–жартылай өткізгіш түйісуі оммалық контакт деп аталады.
A Schottky barrier, named after Walter H. Schottky, is a potential energy barrier for electrons formed at a metal–semiconductor junction. Schottky barriers have rectifying characteristics, suitable for use as a diode. One of the primary characteristics of a Schottky barrier is the Schottky barrier height, denoted by ΦB (see figure). The value of ΦB depends on the combination of metal and semiconductor. Not all metal–semiconductor junctions form a rectifying Schottky barrier; a metal–semiconductor junction that conducts current in both directions without rectification, perhaps due to its Schottky barrier being too low, is called an ohmic contact.
Түзету қасиеттері
Шоткидің түзеуші кедергісінде кедергі жартылай өткізгіштегі интерфейске жақын деплециялық аймақ жеткілікті түрде қалыптасады. Бұл кедергіге кішкентай кернеулер қолданғанда жоғары кедергі тудырады. Үлкен кернеулер қолданғанда кедергі арқылы өтетін электр тогы негізінен термиондық эмиссия заңдарымен басқарылады, сонымен қатар Шотки кедергісі металлдың Ферми деңгейіне қатысты бекітілген болады. Алға бағытталған кернеу кезінде жартылай өткізгіште көптеген термиялық түрде қозған электрондар кедергіден өтуге қабілетті. Осы электрондардың кедергіден өтуі (электрондар кері қайтпай) токқа қарама-қарсы бағытта ағыс тудырады. Ток кернеуге өте жылдам өседі, бірақ жоғары кернеулерде жартылай өткізгіштің тізбекті кедергісі токты шектеуге бастауы мүмкін. Кері бағытталған кернеу кезінде металдағы кейбір термиялық түрде қозған электрондардың жеткілікті энергиясы болады, нәтижесінде шағын утечка тогы пайда болады. Алғашқы жуықтауда бұл ток тұрақты болуы керек (Шокли диоды теңдеуі сияқты); алайда, ток кері бағытталған кернеумен біртіндеп артады, себебі кедергі әлсіздейді (вакуумдық Шотки эффектісіне ұқсас). Өте жоғары кернеулерде деплециялық аймақ бұзылады. Ескерту: жоғарыда айтылған Шотки кедергісі n-типті жартылай өткізгішке қатысты; ұқсас қарастырулар p-типті жартылай өткізгішке де қолданылады. Ток-кернеу қатынасы сапалық тұрғыдан p-n торабымен бірдей, бірақ физикалық процесі шамалы өзгеше.
In a rectifying Schottky barrier, the barrier is high enough that there is a depletion region in the semiconductor, near the interface. This gives the barrier a high resistance when small voltage biases are applied to it. Under large voltage bias, the electric current flowing through the barrier is essentially governed by the laws of thermionic emission, combined with the fact that the Schottky barrier is fixed relative to the metal's Fermi level. Under forward bias, there are many thermally excited electrons in the semiconductor that are able to pass over the barrier. The passage of these electrons over the barrier (without any electrons coming back) corresponds to a current in the opposite direction. The current rises very rapidly with bias, however at high biases the series resistance of the semiconductor can start to limit the current. Under reverse bias, there is a small leakage current as some thermally excited electrons in the metal have enough energy to surmount the barrier. To first approximation this current should be constant (as in the Shockley diode equation); however, current rises gradually with reverse bias due to a weak barrier lowering (similar to the vacuum Schottky effect). At very high biases, the depletion region breaks down. Note: the discussion above is for a Schottky barrier to an n type semiconductor; similar considerations apply for a p type semiconductor. The current voltage relationship is qualitatively the same as with a p n junction, however the physical process is somewhat different.
Азшылық тасымалдаушыны инъекциялау
Шотткидің өте жоғары кедергілері үшін, егер ΦB жартылай өткізгіштің энергиялық тізілімінің маңызды бөлігін құраса, тікелей кернеудегі ток Шоттки кедергісінің астында, жартылай өткізгіштегі азшылық тасымалдаушылар арқылы жүруі мүмкін. Мұның мысалы – нүктелі контактілі транзистор.
For very high Schottky barriers where ΦB is a significant fraction of the band gap of the semiconductor, the forward bias current may instead be carried "underneath" the Schottky barrier, as minority carriers in the semiconductor. An example of this is seen in the Point contact transistor.
Құралдар
Шоттки диоды — металл-жартылай өткізгіштің бір байланысы, ол түзету қасиеттері үшін қолданылады. Шоттки диодтары көбінесе төмен алдыңғы кернеуді қажет еткен кезде, мысалы, жоғары тиімділіктегі тұрақты ток көзінде ең қолайлы диод болып табылады. Сонымен қатар, олардың көпшілік тасымалдаушылар арқылы өткізгіштік механизміне байланысты, Шоттки диодтары pn-байланыс диодтарына қарағанда жоғары ауысу жылдамдықтарына қол жеткізе алады, бұл оларды жоғары жиілікті сигналдарды түзетуге қолайлы етеді. Екінші жартылай өткізгіш/металл интерфейсін және екі байланыстың үстінен орналасқан қақпалық стекті енгізу арқылы Шоттки кедергілі өрістік эффект транзисторын (SB FET) алуға болады. Қақпа каналдың ішіндегі тасымалдаушылардың инъекциясын басқарады, интерфейстегі жолақтың иілуін және осылайша Шоттки кедергілерінің кедергісін реттейді. Жалпы, ток үшін ең маңызды кедергі жолы Шоттки кедергілерімен сипатталады, сондықтан транзистор қосылған кезде каналдың өзі өткізгіштікке елеулі үлес қоспайды. Бұл құрылғының амбиполярлы мінез-қалпы бар, себебі екі байланысқа да оң кернеу қолданғанда, олардың жолақты диаграммасы төмен қарай иіліп, тікелей туннельдеу арқасында көзден ағынға электрон тогының өтуіне мүмкіндік береді (кернеудің болуы әрқашан ескеріледі). Екі байланысқа да теріс кернеу қолданған жағдайда жолақты диаграмма жоғары қарай иіледі және тесіктер инъекцияланып, ағыннан көзге ағып кетуі мүмкін. Қақпа кернеуін 0 В-қа орнату туннельдеу тогын басады және термиондық құбылыстарға байланысты төменгі токқа ғана мүмкіндік береді. Мұндай құрылғының негізгі шектеулерінің бірі оны дұрыс өшіруді қиындататын осы токпен байланысты. Мұндай құрылғының айқын артықшылығы — арналық допинг қажеттілігі жоқ, және иондық имплантация және жоғары температуралық оттырту сияқты қымбат технологиялық қадамдардан аулақ болуға болады, бұл жылулық бюджетті төмен ұстайды. Дегенмен, ағын мен қақпа арасындағы кернеу айырмашылығына байланысты жолақтың иілуі көбінесе құрылғыны дұрыс өшіруге мүмкіндік бермейтіндей жеткілікті тасымалдаушыларды инъекциялайды. Сонымен қатар, Шоттки контактілерінің ішкі кедергісіне байланысты төменгі токтар осы құрылғыға тән, сондай-ақ байланыс аумағын бақылаудың қиындығына байланысты өте қиын және сенімсіз масштабталуы да тән. Негіз бен коллектор арасында Шоттки кедергісі бар биполярлы транзистор Шоттки транзисторы деп аталады. Шоттки кедергісінің байланыс кернеуі кішкентай болғандықтан, транзистор қанығудан қорғалады, бұл оны коммутатор ретінде қолданғанда жылдамдықты жақсартады. Бұл Schottky және Advanced Schottky TTL отбасыларының, сондай-ақ олардың төмен қуаттылық нұсқаларының негізі болып табылады. MESFET немесе металл-жартылай өткізгіш FET жартылай өткізгіштің ішінде орналасқан өткізгіш арнаны қысып тастайтын сарқылу аймағын қамтамасыз ету үшін кері бұрылмаған Шоттки кедергісін пайдаланады (JFET-ке ұқсас, онда pn-байланысы сарқылу аймағын қамтамасыз етеді). Бұл құрылғының нұсқасы — жоғары электронды жылдамдықты транзистор (HEMT), ол өте жоғары өткізгіштікке ие құрылғыны қамтамасыз ету үшін гетерожүйек қолданады. Шоттки кедергісі бар көміртек нанотүтік FET металл мен көміртек нанотүтік арасындағы идеалды емес байланысты пайдаланып, Шоттки кедергісін жасайды, оны өте кішкентай Шоттки диодтарын, транзисторларын және бірегей механикалық және электрондық қасиеттері бар ұқсас электрондық құрылғыларды жасау үшін қолдануға болады. Шоттки кедергілері жартылай өткізгішті сипаттау үшін де қолданылуы мүмкін. Шоттки кедергісінің сарқылу аймағында допанттар иондалып қалады және «кеңістіктік зарядты» тудырады, ол өз кезегінде байланыстың сыйымдылығын тудырады. Металл-жартылай өткізгіш интерфейсі және сарқылған аймақтың қарама-қарсы шекарасы екі конденсаторлық пластиналар сияқты әрекет етеді, ал сарқылу аймағы диэлектрик ретінде әрекет етеді. Кернеуді байланысқа қолдану арқылы сарқылу енін өзгертуге және сыйымдылықты өзгертуге болады, бұл сыйымдылық-кернеу профильдеуінде қолданылады. Сыйымдылықтың кернеудегі өзгерістерге жауап беру жылдамдығын талдау арқылы допанттар мен басқа да ақаулар туралы ақпарат алуға болады, бұл терең деңгейлік уақыттық спектроскопия деп аталатын әдіс.
A Schottky diode is a single metal–semiconductor junction, used for its rectifying properties. Schottky diodes are often the most suitable kind of diode when a low forward voltage drop is desired, such as in a high efficiency DC power supply. Also, because of their majority carrier conduction mechanism, Schottky diodes can achieve greater switching speeds than p–n junction diodes, making them appropriate to rectify high frequency signals. Introducing a second semiconductor/metal interface and a gate stack overlapping both junctions, one can obtain a Schottky barrier field effect transistor (SB FET). The gate steers the carrier injection inside the channel modulating the band bending at the interface, and thus the resistance of the Schottky barriers. Generally the most significantly resistive path for the current is represented by the Schottky barriers, and so the channel itself does not contribute significantly to the conduction when the transistor is turned on. This kind of device has an ambipolar behavior since when a positive voltage is applied to both junctions, their band diagram is bent downwards enabling an electron current from source to drain (the presence of a voltage is always implied) due to direct tunneling. In the opposite case of a negative voltage applied to both junctions the band diagram is bent upwards and holes can be injected and flow from the drain to the source. Setting the gate voltage to 0 V suppresses the tunneling current and enables only a lower current due to thermionic events. One of the main limitations of such a device is strongly related to the presence of this current that makes it difficult to properly switch it off. A clear advantage of such a device is that there is no need for channel doping and expensive technological steps like ion implantation and high temperature annealings can be avoided, keeping the thermal budget low. However the band bending due to the voltage difference between drain and gate often injects enough carriers to make impossible a proper switch off of the device. Also, low on currents due to the intrinsic resistance of the Schottky contacts are typical of this kind of device just like a very hard and unreliable scalability due to the difficult control of the junction area. A bipolar junction transistor with a Schottky barrier between the base and the collector is known as a Schottky transistor. Because the junction voltage of the Schottky barrier is small, the transistor is prevented from saturating, which improves the speed when used as a switch. This is the basis for the Schottky and Advanced Schottky TTL families, as well as their low power variants. A MESFET or metal–semiconductor FET uses a reverse biased Schottky barrier to provide a depletion region that pinches off a conducting channel buried inside the semiconductor (similar to the JFET where instead a p–n junction provides the depletion region). A variant of this device is the high electron mobility transistor (HEMT), which also utilizes a heterojunction to provide a device with extremely high conductance. A Schottky barrier carbon nanotube FET uses the non ideal contact between a metal and a carbon nanotube to form a Schottky barrier that can be used to make extremely small Schottky diodes, transistors, and similar electronic devices with unique mechanical and electronic properties. Schottky barriers can also be used to characterize a semiconductor. In the depletion region of the Schottky barrier, dopants remain ionized and give rise to a "space charge" which in turn give rise to a capacitance of the junction. The metal–semiconductor interface and the opposite boundary of the depleted area act like two capacitor plates, with the depletion region acting as a dielectric. By applying a voltage to the junction it is possible to vary the depletion width and vary the capacitance, used in capacitance voltage profiling. By analyzing the speed at which the capacitance responds to changes in voltage, it is possible to obtain information about dopants and other defects, a technique known as deep level transient spectroscopy.