Фізичні процеси в мікроелектронних структурах метал-напівпровідник

напівпровідника тобто:

(2.11)

 

Значення  може відрізнятися від статичної діелектричної проникності напівпровідника. Це пояснюється тим, що якщо час прольоту електрону від поверхні розділу метал-напівпровідник до точки ( -точка, в якій потенційна енергія сягає свого максимального значення) менше часу діелектричної релаксації напівпровідника, то останній не встигає поляризуватися. Тому експериментальні значення діелектричної проникності можуть бути меншими за статичну (низькочастотну) проникність. В кремнії ці величини практично збігаються між собою. Ефективна діелектрична проникність для контакту золото-кремній визначена за результатами фотоелектричних вимірювань. На практиці маємо, що ефективна діелектрична проникність сил зображення знаходиться в діапазоні 11,5÷12,5. При відстань змінюється від 10 до 50А в діапазоні змін електричного поля близько E=10³~10⁵ В/см. Якщо припустити, що швидкість носіїв близько 10⁷ см/с, то час прольоту цих відстаней буде 10-14÷5·10-14 с. Виявляється, що діелектрична проникність, яка отримана із сили зображення, близька до значень проникності (~12) для електромагнітного випромінювання відповідних частот (з довжиною хвиль 3÷15 мкм). Оскільки діелектрична проникність кремнію практично постійна в діапазоні частот від нуля, що відповідає довжині хвилі , за час прольоту електрону через збіднений шар решітка встигає поляризуватися. Тому значення діелектричної проникності, отримані в фотоелектричних та оптичних дослідах, близьку один до одного. Германій та арсенід галію мають аналогічні частотні залежності діелектричної проникності. Тому можна чекати, що для цих напівпровідників значення діелектричної проникності, яка визначає сили зображення, у вказаному вище інтервалі полів приблизно збігається зі статичними значеннями.

Сьогодні ефект Шотткі широко використовується в напівпровідниковій техніці і реалізований в так званих діодах Шотткі, що мають високі частотні характеристики. [11]

 

РОЗДІЛ 3

ПРИЛАДИ, ОСНОВАНІ НА ОСНОВІ КОНТАКТУ

 МЕТАЛ-НАПІВПРОВІДНИК

 

В напівпровідникових приладах найбільше застосування отримали блокуючі контакти метал - напівпровідник або  бар'єри Шоткі. Розглянемо умову виникнення бар'єру Шотткі. Струм термоелектронної емісії з поверхні будь-якого твердого тіла визначається рівнянням Річардсона:

 

     (3.1)

 

Для контакту метал - напівпровідник n-типу виберемо умову, щоб термодинамічна робота виходу з напівпровідника Ф_п/п була меншою ніж термодинамічна робота виходу з металу Ф_Ме. У цьому випадку відповідно до рівняння (3.1) струм термоелектронної емісії з поверхні напівпровідника j_п/п буде більше, ніж струм термоелектронної емісії з поверхні металу:

При контакті таких матеріалів в початковий момент часу струм з  напівпровідника в метал буде перевищувати зворотний струм з  металу в напівпровідник, і в приповерхневих областях напівпровідника і металу будуть накопичуватися об'ємні заряди - негативні в металі, і позитивні в напівпровіднику. В області контакту виникне електричне поле, в результаті чого відбудеться вигинання енергетичних зон. Внаслідок ефекту поля термодинамічна робота виходу на поверхні напівпровідника зросте. Цей процес буде проходити до тих пір, поки в області контакту не вирівняються струми термоелектронної емісії і відповідно значення термодинамічних робіт виходу на поверхні. [5]

На малюнку 3.1 показані зонні діаграми різних етапів формування контакту метал - напівпровідник. В умовах рівноваги в області контакту струми термоелектронної емісії вирівнялась, внаслідок ефекту поля виник потенційний бар'єр, висота якого дорівнює різниці термодинамічних робіт виходу:

φ_к = Ф_Ме - Ф_п/п .      (3.2)

 

Рис. 3.1. Зонна діаграма, що ілюструє утворення бар'єру Шотткі [10]

 

3.1 Транзистори Шотткі

 

Транзистори Шотткі (мал. 3.2, а) відрізняються від звичайних біполярних транзисторів тим, що вони не входять в глибоке насичення, а отже, в їх базах у відкритому стані накопичується мало носіїв заряду, і в результаті час їх розсмоктування менше звичайного. [21]

Ефект Шотткі знижує напругу відкривання кремнієвого p-n переходу від звичайних 0,5 0,7 В до 0,2 0,3 В і значно зменшує час життя неосновних носіїв в напівпровіднику. Ефект Шотткі заснований на тому, що в p-n переході або поруч з ним присутній дуже тонкий шар металу, багатий вільними носіями.

Транзистор Шотткі можна представити як звичайний транзистор з діодом Шотткі, включеним між його базою і колектором, як показано на рис. 3.2, б.

При відкриванні транзистора  базовий струм наростає тільки до значення, що лежить на кордоні активного  режиму та області насичення, а весь надлишковий базовий струм відводиться  через відкритий діод Шотткі через колектор і емітер відкритого транзистора на землю.

Чим сильніше відкриється  транзистор, тобто тим менше падіння  напруги колектор-емітер, тим більший  струм відводиться через діод Шотткі, минаючи базу, на землю. Це призведе до закривання транзистора, так як зменшення струму бази закриває транзистор. Так утворюється зворотній зв'язок, саморегулююча режим роботи транзистора, утримуючи його від глибокого насичення. [13]

Самі діоди Шотткі мають дуже малі затримки включення і виключення. Накопичення заряду в діодах Шотткі не відбувається, тому що протікає в них струм викликаний переносом основними носіїв.

Рис. 3.2. Транзистор Шотткі: а – графічне позначення;б - еквівалентна схема.

 К-колектор, Е-емітер, Б-  база.[9]

 

Коли транзистор замкнений, потенціал колектора вище потенціалу бази, а

значить, діод Шотткі зміщений у зворотному напрямку і не впливає на роботу транзистора

.

Рис. 3.3. Різниця потенціалів між виводами: а - біполярного транзистора; б - транзистора Шотткі. [9]

Якщо в процесі відмикання транзистора потенціал колектора стає нижче потенціалу бази, діод Шотткі відкривається, і на ньому встановлюється пряма напруга К_ПР. Оскільки ця напруга менше 0,5 В, то колекторний перехід практично замкнений, а отже, не виникає режиму насичення і пов'язаної з ним подвійної інжекції і накопичення надлишкових зарядів. Завдяки цьому при замиканні транзистора виключається затримка, яка викликається розсіюванням надлишкового заряду. [12]

На рис 3.3 показана різниця потенціалів між виводами звичайного транзистора і транзистора Шотткі. Як видно в відкритому стані напруга між колектором і емітером у транзистора Шотткі значно більше, ніж у простого біполярного транзистора.

 

3.2. Діод Шотткі

 

Діод Шотткі, також відомий, як «діод з гарячими носіями», є напівпровідниковим діодом з низьким значенням падіння прямої напруги, та дуже швидким перемиканням. Діоди Шотткі використовують перехід метал-напівпровідник, як бар'єр Шотткі, (замість p-n переходу, як у звичайних діодів). Допустима обернена напруга діодів Шотткі, що промислово випускаються, обмежена значенням 250 В (MBR40250 та аналоги), на практиці більшість діодів Шотткі використовуються в низьковольтних схемах, при обернених напругах в декілька десятків вольт.

Висока швидкодія діодів Шотткі обумовлена тим, що на відміну  від звичайних діодів з p-n— переходами, де носіями струму є «неосновні носії», в них прямий струм повністю обумовлений  «основними носіями».

Переходи Шотткі широко використовуються в інтегральних технологіях —  як «омічні контакти», опір яких значно менший, в порівнянні з об'ємним  опором напівпровідника, та опорами  паразитних витоків. [14]

Діод Шотткі має контакт  металу з напівпровідником та випрямні властивості. Його перевага - відсутність  дифузійної ємності. Робочі частоти  діода сягають 15 ГГц.На рис. 3.4 показана структурна схема діода Шотткі.

 

Рис. 3.4. Структура детекторного діода Шотткі: 1 - напівпровідникова підкладка; 2 - епітаксіальна плівка; 3 - контакт метал - напівпровідник; 4 – металева плівка; 5 — зовнішній контакт [15]

 

ВИСНОВКИ

1. Напівпровідники - це речовини,що займають проміжне значення провідності між провідниками та діелектриками, залежну в значній мірі від структури речовини, вигляду і кількості домішок і від зовнішніх умов. При кімнатній температурі мають питому провідність в інтервалі від 10^-10 до 10⁴ См    (Ом^-1·см ^-1).
2. Характерна особливість напівпровідників - зростання електропровідності  при зростанні температури, причому в широкому інтервалі температур це зростання відбувається експоненціально:
3. Встановлено, що зв'язок атомів у кристалічній решітці напівпровідників обумовлений специфічними обмінними силами, що виникають в результаті попарного об'єднання валентних електронів у суміжних атомів. Такий зв'язок (при якому кожен з атомів залишається нейтральним) називається ковалентним.
4. Залежно від того, чи віддає домішковий атом електрон або захоплює його, його називають n-типу (донорними) або p-типу (акцепторними). Характер домішки може змінюватися в залежності від того, який атом решітки вона заміщує, в яку кристалографічну площину вбудовується.
5. Показано, що на межі поділу між напівпровідником та металом виникають потенціальні бар’єри, що є наслідком перерозподілу концентрацій рухомих носіїв заряду між контактуючими матеріалами. Електричні властивості граничного шару залежать як від величини, так і від напрямку зовнішньої напруги, яка прикладається.
6. На контакті напівпровідника з металом створюється стан, відмінний від стану на контакті двох металів. Концентрація вільних електронів в металі 10²⁸ м^-3 відповідає числу вільних електронів в моноатомному поверхневому шарі металу приблизно 10²⁸ м^-3 ·3 ·10^-10 м = 10¹⁸ м².
7. Емісії електронів з металу перешкоджає потенційний бар'єр, який утворюється за рахунок електричних сил зображення. Зниження цього бар'єра при збільшенні прикладеного зовнішнього електричного поля називається ефектом Шотткі.

 

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. www.icfcst.kiev.ua/museum/Lashkarev_u.html6.04.12
2. Однодворець Л.В. Навчальний посібник «Основи мікроелектроніки» – Суми: вид-во СумДУ, 2005 - 107с
3. Степаненко  И.П. Основы  микроэлектроники. - Москва: Советское радио, 1980. - 264 с
4. Батавин В.В., Концевой Ю.А., Федорович Ю.В. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. - М.: Радио и связь, 1985 - 264 с.
5. http://vseslova.com.ua/word/Шотки_бар'єр-123219u26.03.12
6. Игумнов Дмитрий Васильевич, Королев Геннадий Васильевич, Громов Игорь Степанович- «Основы микроэлектроники»: Учеб. для техникумов по спец. «Производство изделий электр. техники».— М.: Высш. шк,, 1991.— 254 с.
7. Контактные явления в полупроводниках. Стриха В.И.—Киев: Вища школа. Головне вид-во, 1982.— 224 с.
8. Ефимом И. К.. Колырь И. Я.Основы микроэлектроники: Учебник. изд.. стер. СПб.: Издательство «Лань». 2008. 384 с
9. http://edu.dvgups.ru/METDOC/ENF/OP_KV_EL/OSN_SHEMOTEH/METOD/BODROV_UP/WEBUMK/frame/3.htm ) 6.04.12
10. http://dssp.petrsu.ru/book/chapter2/part6.shtml6.04.12
11.   Закалик  Л.У.,  Ткачук  Р.А.  Основи мікроелектроніки.- Тернопіль, 1998. - 386 с.
12. Сенько  В.І.,  Панасенко  М.В.,  Сенько  Є.В. Електроніка  і  мікросхемотехніка. - Т.1.  Елементна  база електронних пристроїв. - Київ: Обереги, 2000. - 300 с.
13. Стахів П.Г., Коруд В.І., Гамола О.Є. Основи електроніки:функціональні елементи та їх застосування. - Львів: Новий світ, 2003. - 128 с.
14.   Жеребцов  И.П.  Основы  электроники. - Ленинград:Энергоатомиздат, 1989. – 242 с.
15. Лавриненко В.Ю.  Справочник  по  полупроводниковым приборам. - Киев: Техніка, 1984. - 410 с.
16. Абрамов В.М. Электронные приборы и устройства.- Москва: Транспорт, 1989. - 110 с
17. Харченко  В.М.  Основы  электроники. - Москва: Высшая школа, 1982. - 352 с.
18. Проценко  І.Ю.  Технологія  та  фізика  тонких металевих плівок. - Суми: СумДУ, 2000. - 148 с
19. Курносов А.И. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных мікросхем/ Курносов А.И., Юдин В.К.- М.: Высшая школа, 1986.- 366с.
20. Киреев П.С. Физика полупроводников. - М.: Высшая школа, 1969 - 590 с.
21. Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А. Д. Полупроводниковые приборы. - М.: Высшая школа, 1981 – 220 с.
22. Смит Р. Полупроводники. - М.: Мир, 1982 - 558 с.