5.7 METALLI-PUOLIJOHDELIITOS (Metal-Semiconductor Junctions) Schottky vallit (Schottky barriers) 1) n-puolijohde ja metalli φ m > φ s

HTML
DOWNLOAD

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "5.7 METALLI-PUOLIJOHDELIITOS (Metal-Semiconductor Junctions) Schottky vallit (Schottky barriers) 1) n-puolijohde ja metalli φ m > φ s"

Minna Jurkka
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 5.7 METALLI-PUOLIJOHDELIITOS (Metal-Semiconductor Junctions) Schottky vallit (Schottky barriers) 1) n-puolijohde ja metalli φ m > φ s Fig qφ m = metallin työfunktio (Al; 4,3 ev, Au; 4,8 ev) qχ = puolijohteen affiniteetti qφ s = puolijohteen työfunktio Kuvan tapauksessa: -n-puolijohde -qφ m > qφ s qφ B = q(φ m χ) ; energiavalli metallista katsottuna qu 0 = q(φ m φ s ) ; energiavalli puolijohteen puolelta: tasasuuntaava liitos Tyhjennysalue W Eq. (5-21) p+n-liitokselle

2 58 2) p-puolijohde ja metalli Fig Kuvan tapauksessa: - p - puolijohde - φ m < φ s elektroneja siirtyy metallista puolijohteeseen Elektronit hävittävät aukkoja puolijohteen pinnasta, jonne muodostuu negatiivisista ioneista avaruusvaraus. Metallin puolelle jää positiivinen deltavaraus. Aukot näkevät vallin qu 0 = q(φ s -φ m ) Tasasuuntaava aukkoliitos

3 5.7.2 Tasasuuntaavat liitokset (Rectifying Contacts) 59 Fig Päästösuuntainen jännite mataloittaa ja estosuuntainen jännite kasvattaa puolijohteen puolelta nähtävää energiavallia. Energiavalli metallin puolelta on muuttumaton I = I 0 (e qu / kt 1) (5-76) U = 0 I s M I M s = 0 q( φm χ )/ kt I M s = I0 e qφb / kt = e Virta aiheutuu enemmistövaraustenkuljettajien injektiosta, joten ei ole diffuusiokapasitanssia suurtaajuussovellukset

4 5.7.3 Ohmiset kontaktit (Ohmic Contacts) 60 Ideaalinen metalli / puolijohdeliitos on ohminen, jos 1) N -puolijohde qφ m qφ s 2) P -puolijohde qφ m qφ s Ohminen liitos saadaan puolijohteeseen käytännössä tunneliliitoksella ** Ohmisia liitoksia: Metalli / n+n (Esim. Au+Sb -seostus n-puolijohteeseen) Metalli / p+p (Esim. Al seostus p-puolijohteeseen) Metalli / p+ / n+n (Esim. Al seostus n+n puolijohteeseen) ** tunneloiva Schottkyn liitos "oikosulkee" mahdollisen "tasasuuntaavan" liitoksen

5 61 EFm φ φ m m v v φ s s (a) n-type qφ m qx q φ s φ ι ι ιι ιι ιι Ec EFs Ev qx Metal E Fm q(x- φm ) Metal (b) Semiconductor n q( φs - φm ) Semiconductor + + p + Ec EFs E v q φm q φ s Ec Ec EFm EFs Ev EFm q( φm- φs) EFs Ev (c) (d) Figure Ohmic metal-semiconductor contacts: (a) Φm< Φs for an n-type semiconductor, and (b) the equilibrium band diagram for junction; (c) Φm>Φs for a p-type semiconductor, and (d) the junction at equilibrium.

6 5.7.4 Todelliset Schottky-Barrierit (Typical Schottky Barriers) 62 Puolijohteen pinta aiheuttaa kiellettyyn energiavyöhön ylimääräisiä energiatiloja nk. pintatiloja, joiden lukumäärä ylittää vöiden teholliset tiheydet. Tästä voi aiheutua fermitason lukkiutuminen pintatilojen vaikutuksesta. Tällöin energiavalli puolijohteesta katsottuna ei riipu metallista.

7 63 Pintatilojen lisäksi puolijohteen pinnassa oleva oksidikerros muuttaa metallin/puolijohteen valleja. Kuva osoittaa mitattuja φ B arvoja eri puolijohteille metallin työfunktion potentiaalin, φ m, funktiona. n-piille Schottkyn hyvälaatuinen tasasuuntaava liitos saadaan seuraavilla vaihtoehdoilla: - Au - Pt + lämpökäsittely PLATINASILISIDI φ B = 0,85V

8 5.8 HETEROLIITOKSET (Heterojunctions) 64 Liitosvaihtoehdot: - Saman puolijohteen välinen pn-liitos homoliitos - Metallin ja puolijohteen välinen liitos schottkyliitos - Liitos erilaisten puolijohteiden välillä heteroliitos (heterojunction) Myös useat perättäiset heteroliitokset ovat nykytekniikoilla toteutettavissa (multilayer structures). Yhdistepuolijohteisiin perustuva monikerrosheteroliitostekniikka on uusi ulottuvuus komponenttiteknologiassa (heteroliitosbipolaaritransistori, FET, laserit). Kahden eri puolijohteen tapauksessa puolijohteiden affiniteetit, energiavyöt ja dielektrisyysvakiot eroavat (Fig.5-36). Johtavuusvöiden epäjatkuvuus ΔE c ja valenssivöiden epäjatkuvuus ΔE v aiheuttavat kielletyn energiavyöeron ΔE g. ΔEg = E g1 E g2 = ΔEc + ΔE v Ideaalitapauksessa: ΔEc = q(χ 2 χ 1 ) ΔEv =ΔEg ΔEc Käytännössä ΔE c ja ΔE v on määrättävä kokeellisesti.

9 65 Figure An ideal heterojunction between a p-type, wide band gap semiconductor and an n-type narrower band gap semiconductor: (a) band diagrams before joining; (b) band discontinuties and band bending at equilibrium. Kosketuspotentiaali (built in contact potential) jakautuu heteroliitoksessa kahden puolijohteen osalle. Puolijohteisiin muodostuvat tyhjennysalueet (W 1, W 2 ) ja niihin liittyvät kontaktipotentiaalit (qv 01, qv 02 ) voidaan ratkaista Poissonin yhtälön perusteella huomioimalla sähkövuon jatkuvuus metallurgisessa liitoksessa: ε 1 E 1 = ε 2 E 2 ; ε 1 = puolijohteen 1 dielektrisyysvakio ε 2 = puolijohteen 2 dielektrisyysvakio Elektronien ja aukkojen näkemät vallit (barriers) ovat heteroliitoksessa erisuuret (Fig. 5-36).

10 Tarkka heteroliitoksen energiavyöesitys kosketuksessa edellyttää yleensä tietokoneratkaisua (huomioitava todelliset vöitten epäjatkuvuudet, epäpuhtausprofiilit, pintavaraukset jne.). Seuraavassa "kokeellinen tasapainoesityksen" hahmotus: 66 2V 01, qv 02, W 1, W 2 edellyttäisivät Poissonin yhtälön ratkaisua. Tärkeä heteroliitoksen sovellus on esitetty kuvassa 5-37, missä raskaasti duupattu n+ -AlGaAs on kasvatettu kevyesti duupatulle GaAs:lle.

11 67 Figure A heterojunction between N+-AlGaAs and lightly formed in the GaAs conduction band. If this well is sufficiently thin, (such as E 1 and E 2 ) are formed, as discussed in Section Kuvan tapauksessa johtavuusvyön epäjatkuvuus liitoksessa mahdollistaa elektronien tulon raskaasti duupatusta n+ -AlGaAs puolijohteesta GaAs :iin, missä ne loukkuuntuvat potentiaalikaivoon lähelle metallurgista liitosta. Potentiaalikaivossa fermitaso nousee näiden elektronien vuoksi johtavuusvyön alareunan yläpuolelle. Jos konstruoidaan komponentti, jossa elektronien liike kulkee pinnan suunnassa, elektronit muodostavat kaksidimensioisen elektronikaasun (two dimensional electron gas), jolla on monia mielenkiintoisia ominaisuuksia; mm. hyvin suuri liikkuvuus (koska hilan ionit eivät rajoita liikkuvuutta) HEMT ( HEMT = High Electron Mobility Transistor) Toinen tärkeä Fig tapauksen piirre on, että qu n << qu p. Tätä heteroliitoksen ominaisuutta käytetään hyväksi muuttamaan elektronien ja aukkojen injektiosuhteita heteroliitosbipolaaritransistoreissa.

12 6. pn-diodit (pn-junction Diodes) DIODIT (The Junction Diode) Tasasuuntaajat (Rectifiers) - ideaalinen diodi (kuva) - diodiyhtälö - todellinen virtaominaiskäyrä Diodin ominaisuuksien riippuvuuksia - I 0 n i 2 e -Eg/kT - U 0 suurempi suuren Eg:n materiaaleilla - U br ( 1 N )0,7 (jyrkkä liitos) R n, R p N d,n a n-, p-alueen laajuuteen ; dn, d p - Jos tyhjennysalue ulottuu yli koko vähemmän seostetun alueen, tapahtuu diodin oikosulku ennen vyöryläpilyöntiä PUNCH THROUGH LÄPILYÖNTI - Yleensä läpilyönti pyrkii tapahtumaan pinnan kautta ennen "bulkläpilyöntiä". Varustamalla liitos vähemmän seostetulla suojarenkaalla saadaan pinnan läpilyöntijännitettä nostettua "bulk-jännitteeseen" (Fig.6-2-c). Toinen tapa (vanhempi) on viistota diodin reuna (Fig.6-2 a,b)

13 69 Fig. 6-3 p+nn+ -diodi p+n liitokseen tehdään ohminen liitos n+ alueen kautta (Fig. 6.3 a). n-alueen duuppauksesta riippuu vyöryläpilyöntijännitteen arvo. Jos n-alue (W) on lyhyt verrattuna vähemmistövarauksenkuljettajien diffuusiomatkaan L p, voi tästä aiheutuva varauksenkuljettajien injektion kasvu kasvattaa n-alueen johtavuutta (johtavuusmodulaatio), jolloin vastus pienenee, joka on eduksi suurvirtakomponenteille. Toisaalta, jos W on liian lyhyt, voi tapahtua läpimenoläpilyönti (punch through breakdown) (Fig. 6.3c). Tehodiodien kotelointi: - Si

14 - W tai Mo välilevy (lämpölaajenemiskertoimen tasoittamiseen) - Cu-levy (lämmön siirto pois puolijohteesta) Kytkindiodit (Switching Diodes) τ pieneksi p+n -Si - diodi 1) τ p = 1μs t sd = 0,1μs 70 2) Tuomalla kiteeseen kulta-atomeja, voidaan vähemmistövarauksenkuljettajien elinikää lyhentää N Au = cm 3 τ p = 0,1μs t sd = 0,01μs = cm 3 τ p = 0,01μs t sd =1ns Toinen mahdollisuus on tehdä vähemmän seostettu alue diffuusiomatkaa lyhemmäksi (narrow base diode) Läpilyöntidiodit (The Breakdown Diode) - breakdowndiodi - zenerdiodi - avalanchediodi - referenssidiodi - regulaattoridiodi

15 6.1.4 Varaktoridiodit (The Varactor Diode) variable reactor - varactor 71 C j V r -n, Vr >> V 0 (6-1) - jyrkkä liitos ; n = 1 2 (Fig. 6-6) - lineaarinen liitos; n = hyperjyrkkä liitos; n > 1 2 Figure 6-6. Graded junction profiles: linearly graded, abrupt, hyperabrupt. 1 n = ( m + 2 ) LC-piirin resonanssitaajuus ω = r 1 LC n = 2 m = V r n V r ; kun

Samankaltaiset tiedostot

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

Schottky, Ohmic. heteroliitos. Si-Ge. Au Ge, eriste. puolijohde. metalli. metalli. puolijohde puolijohde Schottky, Ohmic Au Ge, Pt Si, uolijohde metalli eriste metalli homoliitos Si-nSi uolijohde eriste uolijohde uolijohde heteroliitos Si-Ge n-homoliitos metallurginen rajainta avaruusvaraus Varauksenkuljett.