Schottky, Ohmic. heteroliitos. Si-Ge. Au Ge, eriste. puolijohde. metalli. metalli. puolijohde puolijohde

Transkriptio

1 Schottky, Ohmic Au Ge, Pt Si, uolijohde metalli eriste metalli homoliitos Si-nSi uolijohde eriste uolijohde uolijohde heteroliitos Si-Ge

2 n-homoliitos metallurginen rajainta avaruusvaraus Varauksenkuljett. konsetraatio neutraali aukkoja - + neutraali elektroneja n J J ( dif ) diffuusio-voima ( drift ) = qμ ( x) E( x) ( x) d = qd J dx E ( dif ) E-voima E-voima n = diffuusio-voima J n qd n dn( x) dx ( drift ) = qμnn( x) E( x) x = 0 x

3 N d -N a Sähkökentästä aiheutuva otentiaali, U 0, laskee n-uolen energiatasoja energialla qu 0, jonka seurauksena alunerin eri korkeuksilla olevat fermitasot asettuvat samalle korkeudelle c c Fermi Fermi Fermi Fermi v v Fermi Fermi

4 Metalli-uolijohdeliitos (Metal-Semiconductor Junctions) Schottky vallit (Schottky barriers) metalli ja n-uolijohde φ m > φ s metalli n-uolijohde Varaus n:lta m:lle E Fm = E Fs n:lla tyhjennysalue W (k. n-liitos) - + qφ m työfunktio E Fm Fermi taso qφ s E Fs qχ s affiniteetti E c E v qφ b =q(φ m -χ s ) qu 0 =q(φ m -φ s ) valli e-lle m:iin

5 Metalli-uolijohdeliitos (Metal-Semiconductor Junctions) Schottky vallit (Schottky barriers) metalli ja -uolijohde φ m < φ s metalli qφ s -uolijohde qχ s Varaus :lta m:lle E Fm = E Fs :lla tyhjennysalue W + - Elektroneja siirtyy metallista uolijohteeseen Elektronit hävittävät aukkoja uolijohteen innasta, jonne muodostuu negatiivisista ioneista avaruusvaraus. Metallin uolelle jää ositiivinen varaus. qφ m työfunktio E Fm Fermi taso E Fs E c qu 0 =q(φ s -φ m ) E v Aukot näkevät vallin qu 0

6 Tasasuuntaavat liitokset (Rectifying Contacts) U qφ b =q(φ m -χ s ) Päästösuuntainen jännite mataloittaa uolijohteen uolelta nähtävää energiavallia. Energiavalli metallin uolelta on muuttumaton. qφ b =q(φ m -χ s ) q(u 0 -U) qu 0 =q(φ m -φ s ) qu

7 Tasasuuntaavat liitokset (Rectifying Contacts) Estosuuntainen jännite kasvattaa uolijohteen uolelta nähtävää energiavallia. Energiavalli metallin uolelta on muuttumaton. U r qφ b =q(φ m -χ s ) qφ b =q(φ m -χ s ) qu 0 =q(φ m -φ s ) q(u 0 +U r )

8 Tasasuuntaavat liitokset (Rectifying Contacts) qφ b =q(φ m -χ s ) qφ b =q(φ m -χ s ) q(u 0 -U) q(u 0 +U r ) qu U 0 0 q( φm χ )/ kt e qφ / kt e B qu / kt = 0 ( e 1) Virta aiheutuu enemmistövaraustenkuljettajien injektiosta, joten ei ole diffuusiokaasitanssia. suurtaajuussovellukset D D = qa ( n ) 0 L L n n + n

9 Ohmiset kontaktit (Ohmic Contacts) deaalinen metalli / uolijohdeliitos on ohminen, jos qφ < qφ m > qφ qφs 1) n uolijohde: m s 2) uolijohde: Ohmisia liitoksia: Metalli / n+n (esim. Au+Sb -seostus n-uolijohteeseen) Metalli / + (esim. Al seostus -uolijohteeseen) Metalli / + / n+n (Esim. Al seostus n+n uolijohteeseen)

10 qφ m < qφs Varaus on enemmistovarauksenkuljettajista

11 qφ m > qφs Varaus on enemmistovarauksenkuljettajista

12 Todelliset Schottky-Barrierit (Tyical Schottky Barriers) Pintatilat määräävät Fermitason aikan E c n E v Puolijohteen inta aiheuttaa kiellettyyn energiavyöhön ylimääräisiä energiatiloja nk. intatiloja, joiden lukumäärä ylittää vöiden teholliset tiheydet. Tästä voi aiheutua fermitason lukkiutuminen intatilojen vaikutuksesta. Tällöin energiavalli uolijohteesta katsottuna ei riiu metallista.

13 Pintatilojen lisäksi uolijohteen innassa oleva oksidikerros muuttaa metallin/uolijohteen valleja. Kuva osoittaa mitattuja φ b arvoja eri uolijohteille metallin työfunktion otentiaalin, φ m, funktiona.

14 Heteroliitokset (Heterojunctions) Au Ge, Pt Si, Schottky SiO 2 -Al uolijohde metalli eriste metalli Si-SiO 2 homoliitos Si-nSi uolijohde eriste uolijohde uolijohde heteroliitos Si-Ge

15 Kahden eri uolijohteen taauksessa uolijohteiden affiniteetit, energiavyöt ja dielektrisyysvakiot eroavat. Johtavuusvöiden eäjatkuvuus ΔEc ja valenssivöiden eäjatkuvuus ΔEv aiheuttavat kielletyn energiavyöeron ΔEg. ΔEg = E g1 E g 2 = ΔE c + ΔE v deaalitaauksessa: Δ E c = q( χ 2 χ 1 ) ΔE v = ΔE g ΔE c Käytännössä ΔEc ja ΔEv on määrättävä kokeellisesti

16 Kosketusotentiaali (U 0 ) jakautuu heteroliitoksessa kahden uolijohteen osalle (U 01, U 02 ). Puolijohteisiin muodostuvat tyhjennysalueet (W 1, W 2 ) ja niihin liittyvät kontaktiotentiaalit voidaan ratkaista huomioimalla sähkövuon jatkuvuus metallurgisessa liitoksessa: ε 1 E 1 = ε 2 E 2 ; ε 1 = uolijohteen 1 dielektrisyysvakio ε 2 = uolijohteen 2 dielektrisyysvakio Elektronien ja aukkojen näkemät vallit (barriers) ovat heteroliitoksessa erisuuret. Tarkka heteroliitoksen energiavyöesitys kosketuksessa edellyttää yleensä tietokoneratkaisua (huomioitava todelliset vöitten eäjatkuvuudet, eäuhtausrofiilit, intavaraukset jne.).

17 "kokeellinen tasaainoesityksen" hahmotus Aseta fermitasot samalle korkeudelle. Jätä tilaa transitioalueele. Metallurginen raja (x=0) sijaitsee lähellä voimakkammin douattua uolta. Aseta (x=0) arvot E g1, E g2, ΔE c, ΔE v. Piirrä johtavuus- ja valenssikaistat itäen E g1 ja E g2 arvot vakiona kummassakin materiaalissa.

18 n+algaas - GaAs heteroliitoksen sovellus

19 n+algaas - GaAs heteroliitoksen sovellus qu n qu Johtavuuskaistaneäjatkuvuus mahdollistaa elektronien tulon n+algaas uolijohteesta GaAs :iin, missä ne loukkuuntuvat otentiaalikaivoon lähelle metallurgista liitosta.

20 Eitaxial semiconductor heterostructures The Nobel Prize in Physics 2000 to Zhores. Alferov, Herbert Kroemer, for develoing semiconductor heterostructures used in high-seed- and otoelectronics HGH-SPEED ELECTRONCS n + GaAs n + AlGaAs - GaAs High Electron Mobility Transistor (HEMT) > 500 GHz THz Heterojunction Biolar Transistor (HBT)

21 Diodit (uolijohde-diodit) Tasasuuntaajat (Rectifiers) Kytkindiodit (Switching Diodes) Crystal diodes (shar metal wire ressed against a semiconducting crystal) Point-contact diodes Schottky diodes Avalanche diodes Zener diodes Tunnel diodes (or Esaki diodes) Gunn diodes (tunnel diodes made of GaAs or np) Varactor diodes (or varica) Photodiodes Light-emitting diodes (LEDs) Laser diodes Peltier diodes PN diodes Suer Barrier Diodes Gold-doed diodes Sna-off or Ste recovery diodes Transient voltage suression diode (TVS)

22 n-diodit (n-junction Diodes) Tasasuuntaajat (Rectifiers) ideaalinen diodi diodiyhtälö = qu / kt 0 ( e 1) U

23 todellinen virtaominaiskäyrä 0 U 0 n 2 i U br jos E g E g ( 1 N ) 0. 7 kt R ( ); R n ( ) Rn 1 N d R 1 N a N d -N a U qu /2kT Δ W, n i, e = M + ( U ) 0 q r N d -N a =Gx d, d n

24 Jos tyhjennysalue ulottuu yli koko vähemmän seostetun alueen, taahtuu diodin oikosulku ennen vyöryläilyöntiä PUNCH THROUGH LÄPLYÖNT n n + +

25 Yleensä läilyönti yrkii taahtumaan innan kautta ennen "bulk-läilyöntiä". Varustamalla liitos vähemmän seostetulla suojarenkaalla saadaan innan läilyöntijännitettä nostettua "bulk-jännitteeseen. Toinen taa (vanha) on viistota diodin reuna. + n + n

26 +n liitokseen tehdään ohminen liitos n+ alueen kautta. n-alueen duuauksesta riiuu vyöryläilyöntijännitteen arvo. n + n +

27 + n n + Jos n-alue on lyhyt verrattuna vähemmistövarauksenkuljettajien diffuusiomatkaan L, voi tästä aiheutuva varauksenkuljettajien injektion kasvu kasvattaa n-alueen johtavuutta (johtavuusmodulaatio), jolloin vastus ienenee, joka on eduksi suurvirtakomonenteille. + n n + Toisaalta, jos n on liian lyhyt, voi taahtua läimenoläilyönti (unch through breakdown)

28 Kytkindiodit (Switching Diodes) Kun äästösuuntaisessa tasajännitetilassa olevan +n - liitoksen virtaiiri avataan, ylimäärävaraus ienenee eksonentiaalisesti aika-vakiolla τ t e t Q τ τ = ) ( 1) ln( ) ( + = t n e qal q kt t u τ τ Kun diodi kytketään äästösuunnasta estosuuntaan, liitos kääntyy estotilaan hetkessä tsd = elymisaika (storage delay time) = r f f sd erf t τ τ ieneksi

29 +n -Si - diodi τ = 1μs t sd = 0,1μ s τ ieneksi Tuomalla kiteeseen kulta-atomeja, voidaan vähemmistövarauk-senkuljettajien elinikää lyhentää N Au = cm 3 τ = 0, 1μs t = 0,01μs sd = cm 3 τ = 0, 01μs t = 1ns sd Toinen mahdollisuus on tehdä vähemmän seostettu alue diffuusio-matkaa lyhemmäksi (narrow base diode). L ieneksi

30 Läilyöntidiodit (The Breakdown Diode) - Zener-diodi - avalanche-diodi - referenssidiodi - regulaattoridiodi Zenerilmiön tausta on tunneli-ilmiössä. c Fermi v n U br estosuunta äästösuunta U U br N -1 N - vähemmän seostetun uolen eäuhtaustiheys Jos E on suuri, varaustenkuljettajien liikeenergia on riittävä ionisoimaan törmäyksessä hilan atomeja. Törmäyksessä syntyy aukkoelektroniareja (EHP). EHP kasvattaa varaustenkuljettajien lukumäärän.

31 Varaktoridiodit (The Varactor Diode) variable reactor - varactor Liitoksessa on kaksi kaasitanssia n(x ) (x n ) Δn = n ( e qu / kt 1) - + Δ n = n n ( e qu / kt 1) x 0 0 Liitoksen tyhjennysalueen kaasitanssi (deletion layer on junction caacitance) Ylimäärävarausten muodostama kaasitanssi (charge store caacitance or diffusion caacitance) C j = dq d( U U ) = A 2qε 2 ( U 0 U 0 ) N N d N a + N d a 1 2 A = ε W

32 jännitteestä riiuva kaasitanssi (varaktori) C C j j ( U U ) U ( U >> U ) r 0 jyrkkä liitos +n liitoksella N a >>N d 2 C j A 2qε = 2 N d ( U0 U ) 1 ( U ) n lineaarinen liitos; n = 1/3 r r U 0 hyerjyrkkä liitos; n > 1/2 C j U >>

33 N d N d = Gx -3/2 hyerjyrkkä: m=-3/2 N d =Gx lineaarinen: m=1 + N d =Gx 0 =G x jyrkkä: m=0 C j U r n 1 n = ( m + ) 2 LC-iirin resonanssitaajuus ωr = ω r 1 LC 1 U r n ω r U r n = 2 m = 3 2

34 Tunnelidiodi (Tunnel Diodes) Tunnelidiodi erustuu erittäin voimakkaasti seostettujen uolijohteiden n-liitokseen n + Puolijohteen ollessa riittävän voimakaasti seostettu (N d > N c, N a > N v ) Fermitaso tulee kaistan sisään. Puolijohdetta kutsutaan tällöin degeneroiduksi. c v Fermitaso Liitos on tunneloiva estosuunnassa ja myös äästösuunnassa ienillä jännitteillä.

35 U = 0 U ieni Ur (esto-) e - U

36 ieni U > 0 U U > 0 U Kun äästöjännite kasvaa, tyhjä (valenssivyön yläreuna) ja täysi (johtavuusvyön alareuna) vyö eivät enää kohtaa, jolloin tunneloituminen louu ja diodissa on normaali äästövirta.

37 Tunnelidiodin virtajänniteominaiskäyrä = huiutunnelointivirta (eak tunneling current) U = arvoa vastaava jännite (eak voltage) v = laaksovirta U f = normaaliäästöjännite negatiivinen dynaaminen resistanssi normaali virta Figure of merit v U U f v U U U f voidaan käyttää kumoamaan vastusta - oskillaattori