Schottky gát - Schottky barrier

1N5822 Schottky dióda kivágott csomagolással. A félvezető szilícium (középen) az egyik fémelektródával Schottky-gátat, a másik elektródával pedig ohmos kontaktust hoz létre .

Sáv diagram az n típusú félvezető Schottky nulla torzítás (egyensúlyi) grafikus meghatározását a Schottky-magasság , Φ _B , mint a különbség a határfelületi vezetési sáv széle E _C és Fermi szinten E _F . [ P- típusú Schottky-gát esetében Φ _B az E _F és az E _V vegyértéksáv éle közötti különbség .]

A Schottky , elnevezett Walter H. Schottky , egy potenciális energia akadályt elektronok kialakítva egy fém-félvezető átmenet . Schottky akadályok egyenirányító jellemzőkkel, alkalmas, mint a dióda . A Schottky-gát egyik elsődleges jellemzője a Schottky-gát magassága, amelyet Φ _B- vel jelölünk (lásd az ábrát). A Φ _B értéke a fém és a félvezető kombinációjától függ.

Nem minden fém – félvezető csomópont képez egyenirányító Schottky-akadályt; fém-félvezető csomópontot, amely egyenirányítás nélkül vezet áramot mindkét irányba, talán túl alacsony Schottky-akadálya miatt, ohmos kontaktusnak nevezzük .

A kialakulás fizikája

Amikor egy fémet közvetlenül érintkeztetnek egy félvezetővel, kialakulhat egy úgynevezett Schottky-gát, amely az elektromos érintkezés egyenirányító viselkedéséhez vezet. Ez akkor történik, akkor is, ha a félvezető jelentése n-típusú és kilépési munka kisebb, mint a kilépési munkáját a fém, és amikor a félvezető p-típusú , és az ellentétes kapcsolatban a munka funkciókat tart.

A leírása alapján a Schottky kialakításával a sáv diagram formalizmus, három fő feltételezések:

A fém és a félvezető közötti érintkezésnek intimnek kell lennie, és semmilyen más anyagréteg (például oxid) jelenléte nélkül.
A fém és a félvezető interdiffúzióját nem veszik figyelembe.
A két anyag határfelületén nincsenek szennyeződések.

Első közelítésként a fém és a félvezető közötti akadályt a Schottky-Mott-szabály szerint a fém-vákuum munka funkció és a félvezető-vákuum elektron affinitás különbségével arányosnak tekintik . Egy izolált fém esetében a munkafüggvény a vákuumenergiája (azaz a minimális energia, amellyel egy elektronnak rendelkeznie kell ahhoz, hogy teljesen megszabaduljon az anyagtól) és a Fermi energia közötti különbség, és ez a megadott fém invariáns tulajdonsága. : ${\ displaystyle \ Phi _ {M}}$ ${\ displaystyle E_ {0}}$ ${\ displaystyle E_ {F}}$

${\ displaystyle \ Phi _ {M} = E_ {0} -E_ {F}}$

Másrészt a félvezető munkafunkciója a következő:

${\ displaystyle \ Phi _ {S} = \ chi + (E_ {C} -E_ {F})}$

Hol van az elektron affinitás (azaz a vákuumenergia és a vezetősáv energiaszintje közötti különbség ). Értékes leírni a félvezető munkafunkcióját elektron-affinitása szempontjából, mivel ez utóbbi a félvezető invariáns alapvető tulajdonsága, míg a vezetési sáv és a Fermi-energia közötti különbség a doppingtól függ . ${\ displaystyle \ chi}$

Fém- és félvezető-sáv diagramok különválasztva (felfelé) és intim érintkezésben (lefelé).

Amikor a két izolált anyag intim kapcsolatba kerül, a Fermi-szintek kiegyenlítése a munkaműveletek értékétől függően a töltés egyik anyagból a másikba történő elmozdulását eredményezi. Ez egy energiagát létrejöttéhez vezet, mivel az anyagok közötti határfelületen bizonyos töltések összegyűlnek. Elektronok esetében a gátmagasság könnyen kiszámítható a fémmegmunkálási funkció és a félvezető elektron-affinitása közötti különbségként: ${\ displaystyle \ Phi _ {B_ {n}}}$

${\ displaystyle \ Phi _ {B_ {n}} = \ Phi _ {M} - \ chi}$

Míg a lyukak gátmagassága megegyezik a félvezető és az elektronok energiagátja közötti különbséggel:

${\ displaystyle \ Phi _ {B_ {p}} = E_ {gap} - \ Phi _ {B_ {n}}}$

A valóságban az történhet, hogy a töltött interfészállapotok rögzíthetik a Fermi-szintet egy bizonyos energiaértéknél, függetlenül a munkafüggvény értékeitől, befolyásolva a korlát magasságát mindkét hordozó esetében. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a félvezető kristály kémiai végződése egy fém ellen elektronállapotokat hoz létre a sávrésében . Ezeknek a fém által kiváltott résállapotoknak a természete és az elektronok általi elfoglaltságuk hajlamos arra, hogy a sávrés közepét a Fermi szintjéhez rögzítsék, amely hatást Fermi-szintű rögzítésnek neveznek . Így a fém-félvezető érintkezőkben a Schottky-korlátok magassága gyakran kevés függést mutat a félvezető vagy a fémmegmunkálási funkciók értékétől, ellentétben a Schottky-Mott-szabállyal. Különböző félvezetők mutatják ezt a Fermi-szintet különböző mértékben, de technológiai következménye az, hogy az olyan fontos félvezetőkben, mint a szilícium és a gallium-arzén, általában nehéz kialakítani az ohmos kontaktusokat . A nem ohmos kontaktusok parazita ellenállást mutatnak az áramárammal szemben, amely energiát fogyaszt és csökkenti az eszköz teljesítményét.

Javító tulajdonságok

Egy egyenirányító Schottky-gátban a gát elég magas ahhoz, hogy a félvezetőben, az interfész közelében egy kimerülési régió legyen. Ez nagy ellenállást biztosít a sorompónak, ha kis feszültség-előfeszítéseket alkalmaznak rá. Nagy feszültség-torzítás esetén az akadályon átáramló elektromos áramot alapvetően a termionos emisszió törvényei szabályozzák , kombinálva azzal a ténnyel, hogy a Schottky-gát rögzítve van a fém Fermi-szintjéhez viszonyítva.

Előre torzítás: hővel gerjesztett elektronok képesek ömleni a fémbe.

Fordított torzítás: A gát túl magas ahhoz, hogy a hővel gerjesztett elektronok beléphessenek a vezetési sávba a fémből.

Előretekintés esetén a félvezetőben sok olyan hőgerjesztésű elektron van, amely képes áthaladni a korláton. Ezen elektronok áthaladása a gáton (anélkül, hogy minden elektron visszatérne) megfelel az ellenkező irányú áramnak. Az áram torzítással nagyon gyorsan emelkedik, azonban nagy torzítás esetén a félvezető soros ellenállása korlátozni tudja az áramot.
Fordított előfeszítés esetén kicsi a szivárgási áram, mivel a fémben néhány hővel gerjesztett elektron elegendő energiával rendelkezik a sorompó túllépéséhez. Először is ennek az áramnak állandónak kell lennie (mint a Shockley diódaegyenletnél ); azonban az áram fokozatosan emelkedik fordított torzítással a gyenge sorompó leereszkedése miatt (hasonlóan a vákuum Schottky-effektushoz ). Nagyon nagy torzítás esetén a kimerülési régió lebomlik.

Megjegyzés: a fenti vita egy n- típusú félvezető Schottky-akadályáról szól ; hasonló szempontok vonatkoznak a p- típusú félvezetőre.

Az áram-feszültség viszony minőségileg megegyezik a pn elágazással , azonban a fizikai folyamat némileg eltér.

Nagyon magas Schottky-gát esetében (ebben az esetben majdnem olyan magas, mint a sávrés) az előretolt torzító áramot kisebbségi hordozóinjekció hordozza (a fehér nyíl egy elektronlyuk injektálását mutatja a félvezető vegyérték-sávjába).

Vezetési értékek

A termionos emisszió a következőképpen formulázható:

${\ displaystyle J_ {th} = A ^ {**} T ^ {2} e ^ {- {\ frac {\ Phi _ {B_ {n, p}}} {k_ {b} T}}} {\ biggl (} e ^ {\ frac {qV} {k_ {b} T}} - 1 {\ biggr)}}$

Míg az alagút áramsűrűsége kifejezhető, háromszög alakú akadály esetében (figyelembe véve a WKB közelítést ):

${\ displaystyle J_ {T_ {n, p}} = {\ frac {q ^ {3} E ^ {2}} {16 \ pi ^ {2} \ hbar \ Phi _ {B_ {n, p}}} } e ^ {\ frac {-4 \ Phi _ {B_ {n, p}} ^ {3/2} {\ sqrt {2m_ {n, p} ^ {*}}}} {3q \ hbar E}} }$

Mindkét képletből egyértelmű, hogy az áram hozzájárulása mind az elektronok, mind a furatok gátmagasságához kapcsolódik. Ha szükség van szimmetrikus áramprofilra mind az n, mind a p hordozóra, akkor az akadály magasságának ideálisan meg kell egyeznie az elektronok és a furatok számára.

Kisebbségi hordozó injekció

Nagyon magas Schottky akadályok, ahol Φ _B jelentős frakció a sávú a félvezető, az előre előfeszítő áram ehelyett hajthatjuk „alatt” a Schottky, mint kisebbségi töltéshordozók a félvezető.

Erre példa látható a Pont-érintkező tranzisztorban .

Eszközök

A Schottky dióda egyetlen fém – félvezető csomópont, amelyet egyenirányító tulajdonságai miatt használnak. A Schottky diódák gyakran a legmegfelelőbb diódafajták, ha alacsony előrefeszültség-esésre van szükség, például nagy hatásfokú egyenáramú tápegység esetén . Emellett többségi vivő vezetési mechanizmusuk miatt a Schottky diódák nagyobb kapcsolási sebességet képesek elérni, mint a p – n elágazási diódák, így megfelelővé teszik őket a nagyfrekvenciás jelek kijavítására.

Bemutatva egy második félvezető / fém interfészt és egy kaputárat, amely átfedésben van mindkét csomóponton, megszerezhetünk egy Schottky akadálymező tranzisztort (SB-FET). A kapu a csatorna belsejében lévő hordozó befecskendezést irányítja, módosítva az interfészen a sáv hajlítását, és ezáltal a Schottky korlátok ellenállását. Általában az áram legjelentősebb ellenállási útját a Schottky-akadályok jelentik, és így maga a csatorna nem járul hozzá jelentősen a vezetéshez, amikor a tranzisztort bekapcsolják. Ez a fajta készülék egy ambipolar viselkedés, mivel ha egy pozitív feszültséget mindkét csomópontok, a zenekar diagram van hajlítva lefelé, amely lehetővé teszi az elektron áram a forrástól a csatorna (jelenlétében feszültség mindig beleértendő) miatt közvetlen alagút . Mindkét csomópontnál alkalmazott negatív feszültséggel ellentétes esetben a sávdiagram felfelé hajlik, és lyukakat lehet befecskendezni, amelyek a lefolyóból a forrásba áramolhatnak. A kapu feszültségének 0 V-ra állítása elnyomja az alagút áramát, és csak alacsonyabb áramot engedélyez a termionos események miatt . Egy ilyen eszköz egyik fő korlátja szorosan összefügg az áram jelenlétével, ami megnehezíti annak megfelelő kikapcsolását. Egyértelmű előnye egy ilyen eszköz, hogy nincs szükség csatorna dopping és költséges technológiai lépések, mint ion implantáció és a magas hőmérséklet lágyításokkal lehet kerülni, miközben a termikus költségvetés alacsony. A lefolyó és a kapu közötti feszültségkülönbség miatti sávhajlítás azonban gyakran elegendő hordozót injektál ahhoz, hogy lehetetlenné tegye a készülék megfelelő kikapcsolását. Ezenkívül a Schottky-érintkezők belső ellenállása miatti alacsony áramáramok is jellemzőek erre a fajta eszközre, mint a csomópont nehéz irányítása miatt nagyon kemény és megbízhatatlan méretezhetőség. ${\ displaystyle V_ {DS}}$

Az SBFET műveletek sávdiagramjai. Balról jobbra: a negatív alkalmazott feszültség meghajlítja a sávdiagramot, lehetővé téve a furatok alagút áramát (p-típusú); feszültség nélkül csak a termikus emisszió megengedett a hordozók számára (kikapcsolt állapotban); a pozitív kapufeszültség lehetővé teszi az elektronok alagútját a lefelé tartó sávhajlítás miatt (n-típusú).

Schottky tranzisztor effektív áramköre.

A bipoláris csomópontú tranzisztor , amelynek alapja és a kollektor között van egy Schottky-gát, Schottky-tranzisztorként ismert . Mivel a Schottky-gát csatlakozási feszültsége kicsi, a tranzisztort megakadályozzuk a túl mély telítettségben, ami kapcsolóként használja a sebességet. Ez az alapja a Schottky és az Advanced Schottky TTL családoknak, valamint alacsony fogyasztású változataiknak.

A MESFET vagy a fém-félvezető FET egy fordított előfeszítésű Schottky-gátat használ egy olyan kimerülési régió biztosításához, amely megszorítja a félvezető belsejébe temetett vezető csatornát (hasonlóan a JFET-hez, ahol ehelyett egy p – n kereszteződés biztosítja a kimerülési régiót). Ennek az eszköznek egy változata a nagy elektronmobilitású tranzisztor (HEMT), amely szintén heteró csatlakozást alkalmaz egy rendkívül nagy vezetőképességű eszköz biztosításához.

A Schottky gát széndioxid nanocsöve a FET a fém és a szén nanocső közötti nem ideális érintkezést használja fel egy Schottky gát kialakítására, amely felhasználható rendkívül kicsi, egyedi mechanikai és elektronikus tulajdonságokkal rendelkező Schottky diódák, tranzisztorok és hasonló elektronikus eszközök előállítására.

A félvezető jellemzésére Schottky-korlátok is alkalmazhatók. A Schottky-gát kimerülési régiójában az adalékanyagok ionizáltak maradnak, és "űrtöltést" eredményeznek, ami viszont a csomópont kapacitását eredményezi. A fém-félvezető felület és az ellentétes határ kimerített terület aktus, mint két kondenzátor lemezeket, a kiürített tartomány hatású, mint egy dielektromos . Feszültség alkalmazásával a csomópontra lehetőség van a kimerülési szélesség megváltoztatására és a kapacitás megváltoztatására, amelyet a kapacitási feszültség profilálásakor használunk . A kapacitás reakciójának sebességének elemzésével a feszültség változásaira információt lehet szerezni az adalékanyagokról és egyéb hibákról, ezt a technikát mélyszintű tranziens spektroszkópiának nevezik .

Villamosítás

A tárgya Microfluidics , electrowetting figyelhető meg egy fém-félvezető átmenet segítségével cseppecske a folyékony fém ( higany ) nyugvó, kristályos szilícium alkotnak egy Schottky egy Schottky-dióda villamos telepítést. A félvezető doppingolásának típusától és sűrűségétől függően a cseppek elterjedése a higanycseppekre alkalmazott feszültség nagyságától és előjelétől függ. Ezt a hatást nevezték el Schottky-féle elektromosságnak , amely hatékonyan összekapcsolja az elektromosság és a félvezető effektusokat.

A Schottky gátmagasság (SBH) módosítása

Beágyazott nanorészecskék a fém – félvezető csomópont határfelületén

A nano méretű részecskék beépítése az érintkező / félvezető interfész felületére hatékonyan módosíthatja a Schottky gátmagasságot (SBH).

Languages

In other projects