Потенциальный барьер в металл-полупроводниковых переходах

Введение

Барьер Шотки, названный в честь Уолтера Х. Шотки, — это потенциальный барьер для электронов, формирующийся в металл-полупроводниковом переходе. Барьеры Шоттки обладают выпрямляющими характеристиками и подходят для использования в качестве диода. Одной из основных характеристик барьера Шоттки является высота барьера Шоттки, обозначаемая ΦB (см. рисунок). Значение ΦB зависит от комбинации металла и полупроводника. Не все металл-полупроводниковые переходы формируют выпрямляющий барьер Шоттки; переход металл-полупроводник, проводящий ток в обоих направлениях без выпрямления, возможно из-за слишком низкой высоты барьера Шоттки, называется омическим контактом.

Ректифицирующие свойства

В выпрямляющем барьере Шоттки высота барьера достаточна для формирования обеднённой области в полупроводнике вблизи границы раздела. Это обуславливает высокое сопротивление барьера при малых приложенных напряжениях. При большом приложенном напряжении электрический ток, протекающий через барьер, определяется, по сути, законами термоэлектронной эмиссии, в сочетании с тем, что барьер Шоттки фиксирован относительно уровня Ферми металла. При прямом смещении в полупроводнике имеется большое количество тепловозбужденных электронов, способных преодолеть барьер. Переход этих электронов через барьер (без обратного тока электронов) соответствует току в противоположном направлении. Ток очень быстро возрастает с увеличением напряжения, однако при высоких напряжениях последовательное сопротивление полупроводника может начать ограничивать ток. При обратном смещении наблюдается небольшой ток утечки, поскольку некоторые тепловозбужденные электроны в металле обладают достаточной энергией для преодоления барьера. В первом приближении этот ток должен быть постоянен (как в уравнении диода Шокли), однако он постепенно возрастает с увеличением обратного напряжения из-за незначительного снижения высоты барьера (аналогично вакуумному эффекту Шоттки). При очень высоких напряжениях происходит пробой обеднённой области. Примечание: вышеизложенное относится к барьеру Шоттки для полупроводника n-типа; аналогичные соображения применимы и к полупроводнику p-типа. Вольт-амперная характеристика качественно аналогична характеристике p-n перехода, однако физические процессы несколько отличаются.

Инъекция с меньшинством носителей

Для очень высоких барьеров Шоттки, где ΦB составляет значительную часть ширины запрещенной зоны полупроводника, прямой ток может протекать не через барьер Шоттки, а "под" ним, в виде миноритарных носителей заряда в полупроводнике. Примером этого является точечный контактный транзистор.

Устройства

Диод Шоттки – это металло-полупроводниковый переход, используемый благодаря своим выпрямляющим свойствам. Диоды Шоттки часто являются наиболее подходящим типом диода, когда требуется низкое прямое падение напряжения, например, в высокоэффективном источнике питания постоянного тока. Кроме того, благодаря механизму проводимости носителями большинства заряда, диоды Шоттки могут достигать более высоких скоростей переключения, чем диоды с p–n-переходом, что делает их пригодными для выпрямления высокочастотных сигналов. Вводя второй полупроводниковый/металлический интерфейс и диэлектрический слой, перекрывающий оба перехода, можно получить полевой транзистор с барьером Шоттки (SB FET). Затвор управляет инжекцией носителей в канал, модулируя изгиб зон на интерфейсе и, следовательно, сопротивление барьеров Шоттки. Как правило, наиболее значительное сопротивление току оказывают барьеры Шоттки, поэтому сам канал не вносит существенного вклада в проводимость при включенном транзисторе. Этот тип устройства обладает амбиполярным поведением, поскольку при приложении положительного напряжения к обоим переходам их энергетическая диаграмма изгибается вниз, обеспечивая электронный ток от истока к стоку (наличие напряжения подразумевается) за счет прямого туннелирования. В противоположном случае, при приложении отрицательного напряжения к обоим переходам, энергетическая диаграмма изгибается вверх, и дырки могут инжектироваться и течь от стока к истоку. Установка напряжения на затворе в 0 В подавляет туннельный ток и обеспечивает только меньший ток за счет термоэлектронной эмиссии. Одно из основных ограничений такого устройства тесно связано с наличием этого тока, что затрудняет его полное выключение. Явным преимуществом такого устройства является отсутствие необходимости в легировании канала, что позволяет избежать дорогостоящих технологических этапов, таких как ионная имплантация и высокотемпературный отжиг, поддерживая низкий тепловой бюджет. Однако изгиб зон из-за разности напряжений между стоком и затвором часто вводит достаточное количество носителей, что делает невозможность полного выключения устройства. Также, низкие токи из-за внутреннего сопротивления контактов Шоттки типичны для этого типа устройств, как и сложная и ненадежная масштабируемость из-за трудного контроля площади перехода. Биполярный транзистор с барьером Шоттки между базой и коллектором известен как транзистор Шоттки. Поскольку напряжение перехода барьера Шоттки мало, транзистор не насыщается, что повышает скорость при использовании в качестве переключателя. Это лежит в основе семейств логики Schottky и Advanced Schottky TTL, а также их маломощных вариантов. MESFET или металл-полупроводниковый полевой транзистор использует барьер Шоттки с обратным смещением для создания обедненной области, которая перекрывает проводящий канал, встроенный в полупроводник (аналогично JFET, где вместо этого обедненную область создает p–n-переход). Вариантом этого устройства является транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT), который также использует гетеропереход для обеспечения устройства с чрезвычайно высокой проводимостью. Полевой транзистор с барьером Шоттки на основе углеродных нанотрубок использует неидеальный контакт между металлом и углеродной нанотрубкой для формирования барьера Шоттки, который можно использовать для создания чрезвычайно маленьких диодов, транзисторов и подобных электронных устройств Шоттки с уникальными механическими и электронными свойствами. Барьеры Шоттки также могут использоваться для характеристики полупроводника. В обедненной области барьера Шоттки примеси остаются ионизированными и создают «пространственный заряд», который, в свою очередь, создает емкость перехода. Металло-полупроводниковый интерфейс и противоположная граница обедненной области действуют как две пластины конденсатора, а обедненная область – как диэлектрик. Прикладывая напряжение к переходу, можно изменять ширину обедненной области и изменять емкость, что используется в профилировании емкостного напряжения. Анализируя скорость, с которой емкость реагирует на изменения напряжения, можно получить информацию о примесях и других дефектах, методом, известным как спектроскопия глубоких уровней переходных процессов.

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.