En física del estado sólido , una unión metal-semiconductor ( M – S ) es un tipo de unión eléctrica en la que un metal entra en estrecho contacto con un material semiconductor . Es el dispositivo semiconductor práctico más antiguo . Las uniones M-S pueden ser rectificadoras o no rectificadoras . La unión rectificadora metal-semiconductor forma una barrera Schottky , formando un dispositivo conocido como diodo Schottky , mientras que la unión no rectificadora se llama contacto óhmico . [1] (Por el contrario, una unión semiconductor-semiconductor rectificadora, el dispositivo semiconductor más común en la actualidad, se conoce como unión p-n ).
Las uniones metal-semiconductores son cruciales para el funcionamiento de todos los dispositivos semiconductores. Generalmente se desea un contacto óhmico , de modo que la carga eléctrica pueda conducirse fácilmente entre la región activa de un transistor y el circuito externo. Sin embargo, ocasionalmente es útil una barrera Schottky , como en los diodos Schottky , los transistores Schottky y los transistores de efecto de campo semiconductores metálicos .
El hecho de que una determinada unión metal-semiconductor sea un contacto óhmico o una barrera Schottky depende de la altura de la barrera Schottky, Φ B , de la unión. Para una altura de barrera Schottky suficientemente grande, es decir, Φ B es significativamente mayor que la energía térmica kT , el semiconductor se agota cerca del metal y se comporta como una barrera Schottky . Para alturas de barrera Schottky más bajas, el semiconductor no se agota y, en cambio, forma un contacto óhmico con el metal.
La altura de la barrera Schottky se define de manera diferente para los semiconductores de tipo n y de tipo p (que se miden desde el borde de la banda de conducción y el borde de la banda de valencia, respectivamente). La alineación de las bandas del semiconductor cerca de la unión suele ser independiente del nivel de dopaje del semiconductor, por lo que las alturas de las barreras Schottky de tipo n y tipo p están idealmente relacionadas entre sí mediante:
donde E g es la banda prohibida del semiconductor .
En la práctica, la altura de la barrera Schottky no es exactamente constante a lo largo de la interfaz y varía a lo largo de la superficie interfacial. [2]
La regla de Schottky-Mott de formación de barreras Schottky, llamada así por Walter H. Schottky y Nevill Mott , predice la altura de la barrera Schottky basándose en la función de trabajo en vacío del metal en relación con la afinidad electrónica en vacío (o energía de ionización en vacío ) del semiconductor:
Este modelo se deriva del experimento mental de unir los dos materiales en el vacío y está estrechamente relacionado en lógica con la regla de Anderson para las uniones semiconductor-semiconductor . Los diferentes semiconductores respetan la regla de Schottky-Mott en distintos grados. [5]
Aunque el modelo de Schottky-Mott predijo correctamente la existencia de flexión de banda en el semiconductor, se descubrió experimentalmente que daría predicciones tremendamente incorrectas para la altura de la barrera de Schottky. Un fenómeno conocido como "fijación del nivel de Fermi" provocó que algún punto de la banda prohibida, en el que existe DOS finito , se bloqueara (fijara) al nivel de Fermi. Esto hizo que la altura de la barrera Schottky fuera casi completamente insensible a la función de trabajo del metal: [5]
donde la banda prohibida E es el tamaño de la banda prohibida en el semiconductor.
De hecho, empíricamente, se encuentra que ninguno de los extremos anteriores es del todo correcto. La elección del metal tiene algún efecto y parece haber una correlación débil entre la función de trabajo del metal y la altura de la barrera; sin embargo, la influencia de la función de trabajo es sólo una fracción de la predicha por la regla de Schottky-Mott. [6] : 143
John Bardeen observó en 1947 que el fenómeno de fijación del nivel de Fermi surgiría naturalmente si hubiera estados cargables en el semiconductor justo en la interfaz, con energías dentro del espacio del semiconductor. Estos serían inducidos durante el enlace químico directo del metal y el semiconductor ( estados de separación inducidos por el metal ) o ya estarían presentes en la superficie del semiconductor-vacío ( estados de superficie ). Estos estados superficiales altamente densos podrían absorber una gran cantidad de carga donada por el metal, protegiendo efectivamente al semiconductor de los detalles del metal. Como resultado, las bandas del semiconductor necesariamente se alinearían en una ubicación relativa a los estados de la superficie que a su vez están fijados al nivel de Fermi (debido a su alta densidad), todo ello sin influencia del metal. [3]
El efecto de fijación del nivel de Fermi es fuerte en muchos semiconductores comercialmente importantes (Si, Ge, GaAs) [5] y, por lo tanto, puede resultar problemático para el diseño de dispositivos semiconductores. Por ejemplo, casi todos los metales forman una barrera Schottky significativa para el germanio de tipo n y un contacto óhmico para el germanio de tipo p , ya que el borde de la banda de valencia está fuertemente fijado al nivel de Fermi del metal. [7] La solución a esta inflexibilidad requiere pasos de procesamiento adicionales, como agregar una capa aislante intermedia para desanclar las bandas. (En el caso del germanio se ha utilizado nitruro de germanio [8] )
La propiedad de rectificación de los contactos metal-semiconductor fue descubierta por Ferdinand Braun en 1874 utilizando mercurio metálico en contacto con semiconductores de sulfuro de cobre y sulfuro de hierro . [9] Sir Jagadish Chandra Bose solicitó una patente estadounidense para un diodo semiconductor de metal en 1901. Esta patente fue concedida en 1904.
GW Pickard recibió una patente en 1906 sobre un rectificador de contacto puntual que utilizaba silicio . En 1907, George W. Pierce publicó un artículo en Physical Review que mostraba las propiedades de rectificación de diodos fabricados mediante pulverización catódica de muchos metales sobre muchos semiconductores. [10] Lilienfeld propuso el uso del diodo rectificador de metal-semiconductor en 1926 en la primera de sus tres patentes de transistores como puerta de los transistores de efecto de campo de metal-semiconductor . [11] La teoría del transistor de efecto de campo que utiliza una puerta de metal/semiconductor fue propuesta por William Shockley en 1939.
Los primeros diodos semiconductores de metal en aplicaciones electrónicas se produjeron alrededor de 1900, cuando se utilizaban rectificadores de bigotes de gato en los receptores . [12] Consistían en alambre de tungsteno puntiagudo (en forma de bigote de gato) cuya punta o punta se presionaba contra la superficie de un cristal de galena (sulfuro de plomo). El primer rectificador de área grande apareció alrededor de 1926 y consistía en un semiconductor de óxido de cobre(I) cultivado térmicamente sobre un sustrato de cobre . Posteriormente, se evaporaron películas de selenio sobre grandes sustratos metálicos para formar los diodos rectificadores. Estos rectificadores de selenio se utilizaron (y todavía se utilizan) para convertir corriente alterna en corriente continua en aplicaciones de energía eléctrica. Durante 1925-1940, se fabricaron en laboratorios diodos que consistían en un alambre metálico de tungsteno puntiagudo en contacto con una base de cristal de silicio para detectar microondas en el rango UHF . Frederick Seitz sugirió en 1942 un programa de la Segunda Guerra Mundial para fabricar silicio de alta pureza como base de cristal para el rectificador de contacto puntual y lo llevó a cabo con éxito la Estación Experimental de la Compañía E. I du Pont de Nemours .
La primera teoría que predijo la dirección correcta de rectificación de la unión metal-semiconductor fue dada por Nevill Mott en 1939. Encontró la solución tanto para las corrientes de difusión como de deriva de los portadores mayoritarios a través de la capa de carga espacial de la superficie del semiconductor que se conocía. desde aproximadamente 1948 como la barrera Mott. Walter H. Schottky y Spenke ampliaron la teoría de Mott incluyendo un ion donante cuya densidad es espacialmente constante a través de la capa superficial del semiconductor. Esto cambió el campo eléctrico constante asumido por Mott a un campo eléctrico que decae linealmente. Esta capa semiconductora de carga espacial situada bajo el metal se conoce como barrera de Schottky . Davydov también propuso una teoría similar en 1939. Aunque proporciona la dirección correcta de rectificación, también se ha demostrado que la teoría de Mott y su extensión de Schottky-Davydov proporciona un mecanismo limitador de corriente incorrecto y fórmulas de corriente-voltaje incorrectas en el silicio metálico. /Rectificadores de diodos semiconductores. La teoría correcta fue desarrollada por Hans Bethe y reportada por él en un Informe del Laboratorio de Radiación del MIT del 23 de noviembre de 1942. En la teoría de Bethe, la corriente está limitada por la emisión termoiónica de electrones sobre la barrera de potencial metal-semiconductor. Por lo tanto, el nombre apropiado para el diodo semiconductor de metal debería ser diodo Bethe, en lugar de diodo Schottky , ya que la teoría de Schottky no predice correctamente las características de los diodos semiconductores de metal modernos. [13]
Si se forma una unión metal-semiconductor colocando una gota de mercurio , como hizo Braun , sobre un semiconductor, por ejemplo, silicio , para formar una barrera Schottky en una configuración eléctrica de diodo Schottky , se puede observar electrohumectación , donde la gota se extiende con un aumento Voltaje. Dependiendo del tipo de dopaje y la densidad del semiconductor, la dispersión de las gotas depende de la magnitud y el signo del voltaje aplicado a la gota de mercurio. [14] Este efecto se ha denominado "electrohumectación Schottky", vinculando efectivamente los efectos de electrohumectación y semiconductores. [15]
El MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico) fue inventado por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en los Laboratorios Bell en 1959 y presentado en 1960. Ampliaron su trabajo en la tecnología MOS para realizar trabajos pioneros en dispositivos portadores calientes , que utilizaban lo que más tarde se llamaría barrera de Schottky. [16] El diodo Schottky, también conocido como diodo de barrera Schottky, fue teorizado durante años, pero se realizó por primera vez en la práctica como resultado del trabajo de Atalla y Kahng durante 1960-1961. [17] Publicaron sus resultados en 1962 y llamaron a su dispositivo estructura de triodo de "electrón caliente" con emisor de metal semiconductor. [18] Fue uno de los primeros transistores con base metálica. [19] Atalla continuó la investigación sobre diodos Schottky con Robert J. Archer en HP Associates . Desarrollaron tecnología de deposición de películas metálicas de alto vacío [20] y fabricaron contactos estables evaporados / pulverizados , [21] [22] publicando sus resultados en enero de 1963. [23] Su trabajo fue un gran avance en la unión metal-semiconductor [21] y Investigación de barreras Schottky, ya que superó la mayoría de los problemas de fabricación inherentes a los diodos de contacto puntual e hizo posible construir diodos Schottky prácticos. [20]
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