Jonction métal-semi-conducteur - Metal–semiconductor junction

En physique du solide , une jonction métal-semi-conducteur (M-S) est un type de jonction électrique dans laquelle un métal entre en contact étroit avec un matériau semi - conducteur . C'est le plus ancien dispositif semi-conducteur pratique . Les jonctions M-S peuvent être rectifiantes ou non rectifiantes . La jonction métal-semi-conducteur redresseur forme une barrière Schottky , ce qui en fait un dispositif connu sous le nom de diode Schottky , tandis que la jonction non redressante est appelée contact ohmique . (En revanche, une jonction semi-conducteur-semi-conducteur de redressement, le dispositif semi-conducteur le plus courant aujourd'hui, est connue sous le nom de jonction p-n .)

Les jonctions métal-semi-conducteur sont cruciales pour le fonctionnement de tous les dispositifs à semi-conducteur. Habituellement, un contact ohmique est souhaité, de sorte que la charge électrique puisse être conduite facilement entre la région active d'un transistor et les circuits externes. Parfois cependant une barrière Schottky est utile, comme dans des diodes Schottky , des transistors Schottky et transistors champ métal-semiconducteur à effet .

Le paramètre critique : la hauteur de barrière Schottky

Diagramme de bande pour jonction métal-semi-conducteur à polarisation nulle (équilibre). La définition graphique de la hauteur de barrière Schottky , _B , pour un semi-conducteur de type n est la définition graphique de la différence entre le bord de la bande de conduction interfaciale E _C et le niveau de Fermi E _F .

Le fait qu'une jonction métal-semi-conducteur donnée soit un contact ohmique ou une barrière Schottky dépend de la hauteur de barrière Schottky, _B , de la jonction. Pour une hauteur de barrière Schottky suffisamment grande, où Φ _B est nettement supérieur à l'énergie thermique kT , le semi-conducteur s'appauvrit près du métal et se comporte comme une barrière Schottky . Pour des hauteurs de barrière Schottky inférieures, le semi-conducteur n'est pas épuisé et forme à la place un contact ohmique avec le métal.

La hauteur de barrière Schottky est définie différemment pour les semi-conducteurs de type n et de type p (mesurée à partir du bord de la bande de conduction et du bord de la bande de valence, respectivement). L'alignement des bandes du semi-conducteur près de la jonction est généralement indépendant du niveau de dopage du semi-conducteur, de sorte que les hauteurs de barrière Schottky de type n et de type p sont idéalement liées les unes aux autres par :

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

où E _g est la bande interdite du semi-conducteur .

En pratique, la hauteur de la barrière Schottky n'est pas précisément constante à travers l'interface et varie sur la surface interfaciale.

Règle de Schottky-Mott et épingle au niveau de Fermi

Règle de Schottky-Mott : Au fur et à mesure que les matériaux sont réunis, les bandes du silicium se courbent de telle sorte que le travail d' extraction du silicium corresponde à celui de l'argent. Les bandes conservent leur flexion au contact. Ce modèle prédit que l'argent a une très faible barrière Schottky au silicium dopé n , ce qui en fait un excellent contact ohmique.

Image montrant l' effet d' épinglage du niveau de Fermi à partir d' états de gap induits par le métal : Les bandes dans le silicium commencent déjà à se plier en raison des états de surface . Ils sont à nouveau pliés juste avant le contact (pour correspondre aux fonctions de travail). Au contact, cependant, la courbure de la bande change complètement, d'une manière qui dépend de la chimie de la liaison Ag-Si.

Diagrammes de bandes pour modèles de formation de jonction entre l'argent et le silicium dopé n . En pratique, cette barrière Schottky est d'environ Φ _B  = 0,8 eV.

La règle de Schottky - Mott de formation de la barrière de Schottky prédit la hauteur de la barrière de Schottky sur la base du travail de sortie sous vide du métal par rapport à l' affinité électronique sous vide (ou énergie d'ionisation sous vide ) du semi-conducteur :

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

Ce modèle est dérivé de l'expérience de pensée consistant à réunir les deux matériaux sous vide et est étroitement lié en logique à la règle d' Anderson pour les jonctions semi-conducteurs-semi-conducteurs . Différents semi-conducteurs respectent la règle de Schottky-Mott à des degrés divers.

Bien que le modèle Schottky-Mott ait correctement prédit l'existence d'une courbure de bande dans le semi-conducteur, il a été constaté expérimentalement qu'il donnerait des prédictions grossièrement incorrectes pour la hauteur de la barrière de Schottky. Un phénomène appelé "épinglage au niveau de Fermi" a provoqué le verrouillage ( épinglage) d'un certain point de la bande interdite, auquel DOS fini existe, au niveau de Fermi. Cela rendait la hauteur de la barrière Schottky presque totalement insensible à la fonction de travail du métal :

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

où E _bandgap est la taille de la bande interdite dans le semi-conducteur.

En fait, empiriquement, on constate qu'aucun des extrêmes ci-dessus n'est tout à fait correct. Le choix du métal a un certain effet, et il semble y avoir une faible corrélation entre la fonction de travail du métal et la hauteur de la barrière, cependant l'influence de la fonction de travail n'est qu'une fraction de celle prédite par la règle de Schottky-Mott.

Il a été noté en 1947 par John Bardeen que le phénomène d'épinglage au niveau de Fermi se produirait naturellement s'il y avait des états chargeables dans le semi-conducteur juste à l'interface, avec des énergies à l'intérieur de l'espace du semi-conducteur. Ceux-ci seraient soit induits lors de la liaison chimique directe du métal et du semi-conducteur ( états de gap induits par le métal ), soit déjà présents dans la surface semi-conducteur-vide ( états de surface ). Ces états de surface très denses seraient capables d'absorber une grande quantité de charge donnée par le métal, protégeant efficacement le semi-conducteur des détails du métal. En conséquence, les bandes du semi-conducteur s'aligneraient nécessairement sur un emplacement par rapport aux états de surface qui sont à leur tour épinglés au niveau de Fermi (en raison de leur densité élevée), le tout sans influence du métal.

L'effet d'épinglage au niveau de Fermi est fort dans de nombreux semi-conducteurs commercialement importants (Si, Ge, GaAs), et peut donc être problématique pour la conception de dispositifs semi-conducteurs. Par exemple, presque tous les métaux forment une barrière Schottky significative au germanium de type n et un contact ohmique au germanium de type p , puisque le bord de la bande de valence est fortement lié au niveau de Fermi du métal. La solution à cette rigidité nécessite des étapes de traitement supplémentaires telles que l'ajout d'une couche isolante intermédiaire pour détacher les bandes. (Dans le cas du germanium, du nitrure de germanium a été utilisé)

Histoire

La propriété de rectification des contacts métal-semi-conducteur a été découverte par Ferdinand Braun en 1874 en utilisant du mercure métallique mis en contact avec des semi-conducteurs de sulfure de cuivre et de sulfure de fer . Sir Jagadish Chandra Bose a déposé une demande de brevet américain pour une diode métal-semi-conducteur en 1901. Ce brevet a été accordé en 1904.

GW Pickard a reçu un brevet en 1906 sur un redresseur ponctuel utilisant du silicium . En 1907, George W. Pierce a publié un article dans Physical Review montrant les propriétés de rectification des diodes fabriquées en pulvérisant de nombreux métaux sur de nombreux semi-conducteurs. L'utilisation du redresseur à diode métal-semi-conducteur a été proposée par Lilienfeld en 1926 dans le premier de ses trois brevets de transistor comme grille des transistors à effet de champ métal-semi-conducteur . La théorie du transistor à effet de champ utilisant une grille métal/semi-conducteur a été avancée par William Shockley en 1939.

Les premières diodes métal-semi-conducteur dans les applications électroniques ont eu lieu vers 1900, lorsque les redresseurs à moustaches du chat ont été utilisés dans les récepteurs . Ils se composaient de fil de tungstène pointu (en forme de moustache de chat) dont la pointe ou la pointe était pressée contre la surface d'un cristal de galène (sulfure de plomb). Le premier redresseur à grande surface est apparu vers 1926 et consistait en un semi-conducteur d' oxyde de cuivre (I) développé thermiquement sur un substrat de cuivre . Par la suite, des films de sélénium ont été évaporés sur de grands substrats métalliques pour former les diodes de redressement. Ces redresseurs au sélénium ont été utilisés (et sont toujours utilisés) pour convertir le courant alternatif en courant continu dans les applications d'alimentation électrique. Entre 1925 et 1940, des diodes constituées d'un fil métallique de tungstène pointu en contact avec une base de cristal de silicium ont été fabriquées en laboratoire pour détecter les micro-ondes dans la gamme UHF . Un programme de la Seconde Guerre mondiale pour fabriquer du silicium de haute pureté comme base de cristal pour le redresseur ponctuel a été suggéré par Frederick Seitz en 1942 et entrepris avec succès par la station expérimentale de la société E. I du Pont de Nemours .

La première théorie qui a prédit la direction correcte de rectification de la jonction métal-semiconducteur a été donnée par Nevill Mott en 1939. Il a trouvé la solution pour les courants de diffusion et de dérive des porteurs majoritaires à travers la couche de charge d'espace de surface semi-conductrice connue. depuis environ 1948 comme la barrière Mott. Walter H. Schottky et Spenke ont étendu la théorie de Mott en incluant un ion donneur dont la densité est spatialement constante à travers la couche de surface semi-conductrice. Cela a changé le champ électrique constant supposé par Mott en un champ électrique décroissant linéairement. Cette couche semi-conductrice de charge d'espace sous le métal est connue sous le nom de barrière Schottky . Une théorie similaire a également été proposée par Davydov en 1939. Bien qu'elle donne la bonne direction de redressement, il a également été prouvé que la théorie de Mott et son extension Schottky-Davydov donnent le mauvais mécanisme de limitation de courant et les mauvaises formules courant-tension dans le silicium métal /redresseurs à diodes semi-conductrices. La théorie correcte a été développée par Hans Bethe et rapportée par lui dans un rapport du laboratoire de rayonnement du MIT daté du 23 novembre 1942. Dans la théorie de Bethe, le courant est limité par l'émission thermoionique d' électrons au- dessus de la barrière de potentiel métal-semi-conducteur. Ainsi, le nom approprié pour la diode métal-semi-conducteur devrait être la diode Bethe, au lieu de la diode Schottky , car la théorie Schottky ne prédit pas correctement les caractéristiques de la diode métal-semi-conducteur moderne.

Si une jonction métal-semi-conducteur est formée en plaçant une goutte de mercure , comme Braun l'a fait, sur un semi-conducteur, par exemple du silicium , pour former une barrière Schottky dans une configuration électrique à diode Schottky - un électromouillage peut être observé, où la gouttelette s'étend avec l'augmentation Tension. Selon le type de dopage et la densité dans le semi-conducteur, l'étalement des gouttelettes dépend de l'amplitude et du signe de la tension appliquée à la gouttelette de mercure. Cet effet a été appelé « électromouillage Schottky », reliant efficacement l'électromouillage et les effets des semi-conducteurs.

Le MOSFET (transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur) a été inventé par Mohamed Atalla et Dawon Kahng aux Bell Labs en 1959 et présenté en 1960. Ils ont étendu leurs travaux sur la technologie MOS pour faire des travaux pionniers sur les dispositifs à porteurs chauds , qui utilisaient ce qu'on appellera plus tard une barrière Schottky. La diode Schottky, également connue sous le nom de diode Schottky-barrier, a été théorisée pendant des années, mais a d'abord été réalisée pratiquement à la suite des travaux d'Atalla et Kahng entre 1960-1961. Ils publièrent leurs résultats en 1962 et appelèrent leur dispositif la structure triode "à électrons chauds" avec émetteur semi-conducteur-métal. C'était l'un des premiers transistors à base de métal. Atalla a poursuivi ses recherches sur les diodes Schottky avec Robert J. Archer chez HP Associates . Ils ont développé une technologie de dépôt de film métallique sous vide poussé et fabriqué des contacts stables évaporés / pulvérisés , publiant leurs résultats en janvier 1963. Leur travail a été une percée dans la recherche sur la jonction métal-semi-conducteur et la barrière Schottky, car il a surmonté la plupart des problèmes de fabrication inhérents au point -diodes de contact et a permis de construire des diodes Schottky pratiques.

Voir également

• Barrière Schottky

Les références

Lectures complémentaires

• Streetman, Ben G.; Banerjee, Sanjay Kumar (2016). Appareils électroniques à semi-conducteurs . Boston : Pearson. p. 251-257. ISBN 978-1-292-06055-2. OCLC  908999844 .