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 , lo que da lugar a un dispositivo conocido como diodo Schottky , mientras que la unión no rectificadora se denomina contacto óhmico . [1] (Por el contrario, una unión rectificadora semiconductor-semiconductor, el dispositivo semiconductor más común en la actualidad, se conoce como unión p–n ).
Las uniones metal-semiconductor son cruciales para el funcionamiento de todos los dispositivos semiconductores. Por lo general, 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, en ocasiones es útil una barrera Schottky , como en los diodos Schottky , los transistores Schottky y los transistores de efecto de campo metal-semiconductor .
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 forma diferente para los semiconductores de tipo n y de tipo p (se mide 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 es típicamente independiente del nivel de dopaje del semiconductor, por lo que las alturas de la barrera Schottky de tipo n y de tipo p están idealmente relacionadas entre sí por:
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 la barrera Schottky, llamada así por Walter H. Schottky y Nevill Mott , predice la altura de la barrera Schottky basándose en la función de trabajo de vacío del metal en relación con la afinidad electrónica de vacío (o energía de ionización de vacío ) del semiconductor:
Este modelo se deriva del experimento mental de juntar los dos materiales en el vacío y está estrechamente relacionado en lógica con la regla de Anderson para las uniones semiconductor-semiconductor . Diferentes semiconductores respetan la regla de Schottky-Mott en distintos grados. [5]
Aunque el modelo Schottky-Mott predijo correctamente la existencia de flexión de banda en el semiconductor, se descubrió experimentalmente que daría predicciones groseramente incorrectas para la altura de la barrera Schottky. Un fenómeno conocido como "fijación del nivel de Fermi" hizo que algún punto de la brecha de banda, en la que existe una DOS finita , 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 E bandgap es el tamaño del intervalo de banda en el semiconductor.
De hecho, empíricamente, se ha comprobado que ninguno de los extremos anteriores es del todo correcto. La elección del metal sí 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
En 1947, John Bardeen observó que el fenómeno de fijación del nivel de Fermi surgiría de manera natural si hubiera estados cargables en el semiconductor justo en la interfaz, con energías dentro del espacio entre el semiconductor y el metal. Estos estados se inducirían durante la unión química directa del metal y el semiconductor ( estados de espacio inducidos por el metal ) o ya estarían presentes en la superficie del semiconductor-vacío ( estados de superficie ). Estos estados de superficie altamente densos serían capaces de absorber una gran cantidad de carga donada por el metal, protegiendo eficazmente al semiconductor de los detalles del metal. Como resultado, las bandas del semiconductor se alinearían necesariamente con una ubicación relativa a los estados de 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 de importancia comercial (Si, Ge, GaAs), [5] y por lo tanto puede ser problemático para el diseño de dispositivos semiconductores. Por ejemplo, casi todos los metales forman una barrera Schottky significativa con el germanio de tipo n y un contacto óhmico con 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 desfijar 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 metal-semiconductor en 1901. Esta patente fue otorgada en 1904.
En 1906, GW Pickard obtuvo una patente para 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 los diodos fabricados mediante la pulverización catódica de muchos metales sobre muchos semiconductores. [10] El uso del rectificador de diodos de metal-semiconductor fue propuesto por Lilienfeld en 1926 en la primera de sus tres patentes de transistores como la compuerta de los transistores de efecto de campo de metal-semiconductor . [11] La teoría del transistor de efecto de campo que utiliza una compuerta de metal/semiconductor fue propuesta por William Shockley en 1939.
Los primeros diodos semiconductores de metal en aplicaciones electrónicas aparecieron alrededor de 1900, cuando se utilizaron los rectificadores de bigotes de gato en receptores . [12] Consistían en un alambre de tungsteno puntiagudo (con forma de bigote de gato) cuya punta se presionaba contra la superficie de un cristal de galena (sulfuro de plomo). El primer rectificador de área grande apareció alrededor de 1926, que 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 de metal de tungsteno puntiagudo en contacto con una base de cristal de silicio para detectar microondas en el rango UHF . En 1942, Frederick Seitz sugirió un programa de la Segunda Guerra Mundial para fabricar silicio de alta pureza como base cristalina para el rectificador de contacto puntual, que fue llevado a cabo con éxito por 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 propuesta por Nevill Mott en 1939. Encontró la solución para las corrientes de difusión y deriva de los portadores mayoritarios a través de la capa de carga espacial de la superficie del semiconductor, que se conoce desde aproximadamente 1948 como la barrera de Mott. Walter H. Schottky y Spenke ampliaron la teoría de Mott al incluir un ion donante cuya densidad es espacialmente constante a través de la capa de superficie del semiconductor. Esto cambió el campo eléctrico constante asumido por Mott a un campo eléctrico de decaimiento lineal. Esta capa de carga espacial del semiconductor debajo del metal se conoce como la barrera de Schottky . Una teoría similar también fue propuesta por Davydov en 1939. Aunque da la dirección correcta de rectificación, también se ha demostrado que la teoría de Mott y su extensión Schottky-Davydov da el mecanismo de limitación de corriente incorrecto y las fórmulas de corriente-voltaje incorrectas en rectificadores de diodos de silicio metal/semiconductor. La teoría correcta fue desarrollada por Hans Bethe y reportada por él en un Informe del Laboratorio de Radiación del MIT fechado el 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 metal-semiconductor debería ser diodo Bethe, en lugar de diodo Schottky , ya que la teoría Schottky no predice correctamente las características del diodo metal-semiconductor moderno. [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 a medida que aumenta el voltaje. Dependiendo del tipo de dopaje y la densidad en el semiconductor, la extensión de la gota 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 la electrohumectación y los efectos semiconductores. [15]
Entre 1953 y 1958, Fuller y Ditzenberger realizaron trabajos sobre la difusión de impurezas en el silicio. [16] [17] [18] [19] En 1956, Miller y Savage estudiaron la difusión del aluminio en el silicio cristalino. [20]
El primer transistor de compuerta de óxido de silicio fue inventado por Frosch y Derick en 1957 en Bell Labs. [21] En 1956, Richard Baker describió algunos circuitos de fijación de diodo discreto para evitar que los transistores se saturen. [22] Los circuitos ahora se conocen como pinzas Baker . Uno de esos circuitos de fijación utilizó un solo diodo de germanio para fijar un transistor de silicio en una configuración de circuito que es la misma que la del transistor Schottky. [22] : 11, 30 El circuito se basaba en que el diodo de germanio tuviera una caída de tensión directa menor que la que tendría un diodo de silicio.
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. [23] [24] Publicaron sus resultados en 1962 y llamaron a su dispositivo la estructura de triodo de "electrón caliente" con emisor de metal-semiconductor. [25] Fue uno de los primeros transistores de base metálica. [26] Atalla continuó la investigación sobre diodos Schottky con Robert J. Archer en HP Associates . Desarrollaron la tecnología de deposición de película metálica de alto vacío , [27] y fabricaron contactos evaporados / pulverizados estables , [28] [29] publicando sus resultados en enero de 1963. [30] Su trabajo fue un gran avance en la unión metal-semiconductor [28] y la investigación de la barrera 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. [27]
En 1967, Robert Kerwin, Donald Klein y John Sarace de Bell Labs patentaron un método para reemplazar la compuerta de aluminio con una capa policristalina de silicio [31] [32]
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