Barrera Schottky

Barrera de energía potencial en uniones metal-semiconductor

Diodo Schottky 1N5822 con encapsulado abierto. El silicio semiconductor (centro) forma una barrera Schottky contra uno de los electrodos metálicos y un contacto óhmico contra el otro electrodo.

Diagrama de bandas para la barrera Schottky de semiconductores de tipo n en polarización cero (equilibrio) con definición gráfica de la altura de la barrera Schottky , Φ _B , como la diferencia entre el borde de la banda de conducción interfacial E _C y el nivel de Fermi E _F . [Para una barrera Schottky de tipo p , Φ _B es la diferencia entre E _F y el borde de la banda de valencia E _V .]

Una barrera Schottky , llamada así en honor a Walter H. Schottky , es una barrera de energía potencial para los electrones que se forma en una unión metal-semiconductor . Las barreras Schottky tienen características rectificadoras , adecuadas para su uso como diodo . Una de las características principales de una barrera Schottky es la altura de la barrera Schottky, denotada por Φ _B (ver figura). El valor de Φ _B depende de la combinación de metal y semiconductor. ^{[1] [2]}

No todas las uniones metal-semiconductor forman una barrera rectificadora Schottky; una unión metal-semiconductor que conduce corriente en ambas direcciones sin rectificación, quizás debido a que su barrera Schottky es demasiado baja, se denomina contacto óhmico .

Física de la formación

Cuando un metal se pone en contacto directo con un semiconductor, se puede formar una llamada barrera Schottky, que da lugar a un comportamiento rectificador del contacto eléctrico. Esto sucede tanto cuando el semiconductor es de tipo n y su función de trabajo es menor que la función de trabajo del metal, como cuando el semiconductor es de tipo p y se da la relación opuesta entre las funciones de trabajo. ^[3]

En la base de la descripción de la formación de la barrera Schottky a través del formalismo del diagrama de bandas , hay tres supuestos principales: ^[4]

1. El contacto entre el metal y el semiconductor debe ser íntimo y sin presencia de ninguna otra capa material (como un óxido).
2. No se tiene en cuenta ninguna interdifusión del metal y el semiconductor.
3. No hay impurezas en la interfaz entre los dos materiales.

En una primera aproximación, la regla de Schottky-Mott predice que la barrera entre un metal y un semiconductor es proporcional a la diferencia entre la función de trabajo metal-vacío y la afinidad electrónica semiconductor-vacío . Para un metal aislado, la función de trabajo se define como la diferencia entre su energía de vacío (es decir, la energía mínima que debe poseer un electrón para liberarse completamente del material) y la energía de Fermi , y es una propiedad invariante del metal especificado: ${\displaystyle \Phi _{M}}$ ${\displaystyle E_{0}}$ ${\displaystyle E_{F}}$

$${\displaystyle \Phi _{M}=E_{0}-E_{F}}$$

Por otra parte, la función de trabajo de un semiconductor se define como:

$${\displaystyle \Phi _{S}=\chi +(E_{C}-E_{F})}$$

Donde es la afinidad electrónica (es decir, la diferencia entre la energía del vacío y la energía del fondo de la banda de conducción ). Es valioso describir la función de trabajo del semiconductor en términos de su afinidad electrónica ya que esta última es una propiedad fundamental invariante del semiconductor, mientras que la diferencia entre la banda de conducción y la energía de Fermi depende del dopaje . ${\displaystyle \chi }$ ${\displaystyle E_{C}}$

Diagramas de bandas de metales y semiconductores cuando están separados (arriba) y cuando están en contacto íntimo (abajo)

Cuando dos materiales aislados se ponen en contacto íntimo, la igualación de los niveles de Fermi provoca el movimiento de carga de un material al otro, ^{[ aclaración necesaria ]} en función de los valores de las funciones de trabajo. Esto conduce a la creación de una barrera de energía, ya que en la interfaz entre los materiales se acumula cierta carga. Para los electrones, la altura de la barrera se puede calcular fácilmente como la diferencia entre la función de trabajo del metal y la afinidad electrónica del semiconductor: ${\displaystyle \Phi _{B_{n}}}$

$${\displaystyle \Phi _{B_{n}}=\Phi _{M}-\chi }$$

Mientras que la altura de la barrera para los huecos es igual a la diferencia entre la brecha de energía del semiconductor y la barrera de energía para los electrones:

$${\displaystyle \Phi _{B_{p}}=E_{\text{gap}}-\Phi _{B_{n}}}$$

En realidad, lo que puede suceder es que los estados de interfaz cargados puedan fijar el nivel de Fermi en un cierto valor de energía sin importar los valores de la función de trabajo, lo que influye en la altura de la barrera para ambos portadores. Esto se debe al hecho de que la terminación química del cristal semiconductor contra un metal crea estados electrónicos dentro de su brecha de banda . La naturaleza de estos estados de brecha inducidos por el metal y su ocupación por electrones tiende a fijar el centro de la brecha de banda al nivel de Fermi, un efecto conocido como fijación del nivel de Fermi . Por lo tanto, las alturas de las barreras Schottky en los contactos metal-semiconductor a menudo muestran poca dependencia del valor de las funciones de trabajo del semiconductor o del metal, en fuerte contraste con la regla de Schottky-Mott. ^[5] Diferentes semiconductores exhiben esta fijación del nivel de Fermi en diferentes grados, pero una consecuencia tecnológica es que los contactos óhmicos suelen ser difíciles de formar en semiconductores importantes como el silicio y el arseniuro de galio . Los contactos no óhmicos presentan una resistencia parásita al flujo de corriente que consume energía y reduce el rendimiento del dispositivo.

Propiedades rectificadoras

En una barrera rectificadora Schottky, la barrera es lo suficientemente alta como para que exista una región de agotamiento en el semiconductor, cerca de la interfaz. Esto le da a la barrera una alta resistencia cuando se le aplican pequeñas polarizaciones de voltaje. Con una gran polarización de voltaje, la corriente eléctrica que fluye a través de la barrera está gobernada esencialmente por las leyes de emisión termoiónica , combinadas con el hecho de que la barrera Schottky está fija en relación con el nivel de Fermi del metal. ^[6]

• En el caso de polarización directa, hay muchos electrones excitados térmicamente en el semiconductor que pueden atravesar la barrera. El paso de estos electrones por encima de la barrera (sin que ningún electrón regrese) corresponde a una corriente en la dirección opuesta. La corriente aumenta muy rápidamente con la polarización, sin embargo, con polarizaciones altas, la resistencia en serie del semiconductor puede comenzar a limitar la corriente.
• En caso de polarización inversa, hay una pequeña corriente de fuga, ya que algunos electrones excitados térmicamente en el metal tienen suficiente energía para superar la barrera. En una primera aproximación, esta corriente debería ser constante (como en la ecuación del diodo Shockley ); sin embargo, la corriente aumenta gradualmente con polarización inversa debido a una débil reducción de la barrera (similar al efecto Schottky de vacío ). En polarizaciones muy altas, la región de agotamiento se rompe.

Nota: la discusión anterior se refiere a una barrera Schottky para un semiconductor tipo n ; se aplican consideraciones similares para un semiconductor tipo p .

La relación corriente-voltaje es cualitativamente la misma que en una unión pn , sin embargo el proceso físico es algo diferente. ^[7]

Para una barrera Schottky muy alta (en este caso, casi tan alta como la banda prohibida), la corriente de polarización directa es transportada por inyección de portador minoritario (la flecha blanca muestra la inyección de un hueco de electrón en la banda de valencia del semiconductor).

Valores de conducción

La emisión termoiónica se puede formular de la siguiente manera: ^{[ cita requerida ]}

$${\displaystyle J_{th}=A^{**}T^{2}e^{-{\frac {\Phi _{B_{n,p}}}{k_{b}T}}}{\biggl (}e^{\frac {qV}{k_{b}T}}-1{\biggr )}}$$

Si bien la densidad de corriente de tunelización se puede expresar, para una barrera de forma triangular (considerando la aproximación WKB ) como: ^{[ cita requerida ]}

$${\displaystyle J_{T_{n,p}}={\frac {q^{3}E^{2}}{16\pi ^{2}\hbar \Phi _{B_{n,p}}}}e^{\frac {-4\Phi _{B_{n,p}}^{3/2}{\sqrt {2m_{n,p}^{*}}}}{3q\hbar E}}}$$

De ambas fórmulas se desprende claramente que las contribuciones de corriente están relacionadas con la altura de la barrera tanto para los electrones como para los huecos. Si se necesita un perfil de corriente simétrico para los portadores n y p, la altura de la barrera debe ser idealmente idéntica para los electrones y los huecos.

Inyección de portadores minoritarios

En el caso de barreras Schottky muy altas donde Φ _B es una fracción significativa de la banda prohibida del semiconductor, la corriente de polarización directa puede transportarse "por debajo" de la barrera Schottky, como portadores minoritarios en el semiconductor. ^[8]

Un ejemplo de esto se ve en el transistor de contacto puntual .

Dispositivos

Un diodo Schottky es una unión de metal-semiconductor simple que se utiliza por sus propiedades rectificadoras. Los diodos Schottky suelen ser el tipo de diodo más adecuado cuando se desea una baja caída de tensión directa , como en una fuente de alimentación de CC de alta eficiencia . Además, debido a su mecanismo de conducción de portador mayoritario, los diodos Schottky pueden alcanzar mayores velocidades de conmutación que los diodos de unión p-n, lo que los hace apropiados para rectificar señales de alta frecuencia.

Introduciendo una segunda interfaz semiconductor/metal y una pila de compuertas superpuestas a ambas uniones, se puede obtener un transistor de efecto de campo de barrera Schottky (SB-FET). La compuerta dirige la inyección de portadora dentro del canal modulando la curvatura de banda en la interfaz y, por lo tanto, la resistencia de las barreras Schottky. Generalmente, el camino más resistivo para la corriente está representado por las barreras Schottky, por lo que el canal en sí no contribuye significativamente a la conducción cuando el transistor está encendido. Este tipo de dispositivo tiene un comportamiento ambipolar ya que cuando se aplica un voltaje positivo a ambas uniones, su diagrama de bandas se dobla hacia abajo permitiendo una corriente de electrones desde la fuente al drenaje (la presencia de un voltaje siempre está implícita) debido a la tunelización directa . En el caso opuesto de un voltaje negativo aplicado a ambas uniones, el diagrama de bandas se dobla hacia arriba y los huecos se pueden inyectar y fluir desde el drenaje a la fuente. Establecer el voltaje de la compuerta a 0 V suprime la corriente de tunelización y permite solo una corriente más baja debido a eventos termoiónicos . Una de las principales limitaciones de un dispositivo de este tipo está muy relacionada con la presencia de esta corriente, que dificulta su apagado correcto. Una clara ventaja de un dispositivo de este tipo es que no es necesario dopar el canal y se pueden evitar pasos tecnológicos costosos como la implantación de iones y los recocidos a alta temperatura , lo que mantiene bajo el presupuesto térmico. Sin embargo, la curvatura de banda debida a la diferencia de voltaje entre el drenador y la compuerta a menudo inyecta suficientes portadores como para hacer imposible un apagado correcto del dispositivo. Además, las bajas corrientes de encendido debido a la resistencia intrínseca de los contactos Schottky son típicas de este tipo de dispositivo, al igual que una escalabilidad muy difícil y poco confiable debido al difícil control del área de unión. ${\displaystyle V_{DS}}$

Diagramas de bandas de las operaciones SBFET. De izquierda a derecha: la tensión aplicada negativa dobla el diagrama de bandas permitiendo una corriente de tunelización de huecos (tipo p); sin ninguna tensión aplicada, solo se permite la emisión termoiónica para los portadores (estado apagado); una tensión de compuerta positiva permite que los electrones realicen un túnel debido a la flexión de banda hacia abajo (tipo n).

Circuito efectivo con transistor Schottky

Un transistor de unión bipolar con una barrera Schottky entre la base y el colector se conoce como transistor Schottky . Debido a que el voltaje de unión de la barrera Schottky es pequeño, se evita que el transistor se sature, lo que mejora la velocidad cuando se usa como interruptor. Esta es la base de las familias Schottky y Advanced Schottky TTL , así como sus variantes de bajo consumo .

Un MESFET o FET de metal-semiconductor utiliza una barrera Schottky con polarización inversa para proporcionar una región de agotamiento que aprieta un canal conductor enterrado dentro del semiconductor (similar al JFET , donde en cambio una unión p-n proporciona la región de agotamiento). Una variante de este dispositivo es el transistor de alta movilidad de electrones (HEMT), que también utiliza una heterojunción para proporcionar un dispositivo con una conductancia extremadamente alta.

Un FET de nanotubos de carbono con barrera Schottky utiliza el contacto no ideal entre un metal y un nanotubo de carbono para formar una barrera Schottky que puede usarse para fabricar diodos Schottky, transistores y dispositivos electrónicos similares extremadamente pequeños con propiedades mecánicas y electrónicas únicas.

Las barreras Schottky también se pueden utilizar para caracterizar un semiconductor. En la región de agotamiento de la barrera Schottky, los dopantes permanecen ionizados y dan lugar a una "carga espacial" que a su vez da lugar a una capacitancia de la unión. La interfaz metal-semiconductor y el límite opuesto del área agotada actúan como dos placas de condensador, con la región de agotamiento actuando como un dieléctrico . Al aplicar un voltaje a la unión es posible variar el ancho de agotamiento y variar la capacitancia, que se utiliza en el perfil de voltaje de capacitancia . Al analizar la velocidad a la que la capacitancia responde a los cambios de voltaje, es posible obtener información sobre los dopantes y otros defectos, una técnica conocida como espectroscopia transitoria de nivel profundo .

Véase también

• Contacto óhmico
• Diodo Schottky
• Diodo
• Estados de brecha inducidos por metales
• Memristor
• Electrohumectación

Referencias

1. Tung, Raymond T. (2014). "La física y la química de la altura de la barrera de Schottky". Applied Physics Reviews . 1 (1): 011304. Bibcode :2014ApPRv...1a1304T. doi : 10.1063/1.4858400 . ISSN  1931-9401.
2. Tutorial sobre la barrera Schottky. Véase también unión metal-semiconductor .
3. Muller, Richard S.; Kamins, Theodore I. (2003). Electrónica de dispositivos para dispositivos integrados (3.ª ed.). Wiley. pág. 170. ISBN 9780471428770.
4. Sze, SM Ng, Kwok K. (2007). Física de dispositivos semiconductores. John Wiley & Sons. pág. 135. ISBN 978-0-471-14323-9.OCLC 488586029  .{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
5. "Correlaciones y sistemática de la altura de la barrera".
6. Esta interpretación se debe a Hans Bethe , a raíz de la teoría incorrecta de Schottky, véase Sah, Chih-Tang (1991). Fundamentos de la electrónica de estado sólido . World Scientific. ISBN 978-9810206376.
7. Balkanski, M.; Wallis, RF (2000). Física de semiconductores y aplicaciones . Oxford University Press. ISBN 978-0198517405.
8. Scharfetter, DL (1965). "Inyección de portadores minoritarios y almacenamiento de carga en diodos de barrera Schottky epitaxiales". Electrónica de estado sólido . 8 (3): 299–311. Bibcode :1965SSEle...8..299S. doi :10.1016/0038-1101(65)90146-2.