. ZJAWISKA KONTAKTOWE Możliwe są trzy rozae kotaktów: kotakt - tego samego rozau złącze -, +-, +-, l-h (styk omowy z metalem), homozłącze kotakt wóch różego rozau (Ge-Si) heterozłącze kotakt metal złącze m-s (ois: charakterystyka aięciowo-rąowa) kotakt metal-izolator- (MIS) (ois: charakterystyka oemościowoaięciowa) Połączeia METAL-PÓŁPRZEWODNIK lub PÓŁPRZEWODNIK- PÓŁPRZEWODNIK wytwarzaą obszary rześciowe (złącza), gzie kocetraca ośików obiega o te w obętości materiału. Właściwości tych obszarów zmieiaą się z aięciem zewętrzym, co w efekcie ae ieliiowe charakterystyki rąowo- aięciowe. Wykorzystue się to o: rostowaia, wzmaciaia, geeraci rgań i i.
Eergia elektroów w metalu Rozkła gęstości elektroów Większość metali est obrymi rzewoikami rąu część elektroów est słabo związaa z oami sieci krystalicze i może swoboie rzemieszczać się w metalu (elektroy swoboe). Jeak mimo to, że elektroy te są "swoboe" w obrębie aego metalu, ie ozacza to wcale, iż mogą łatwo wyostać się a zewątrz metalu. Zauą się bowiem oe w zasięgu ziałaia sił elektryczych ola krystaliczego wytwarzaego rzez oy sieci krystalicze. Aby więc ouścić metal, elektro musi osiaać oowieio użą eergię o rzezwyciężeia tych oziaływań (tzw. raca wyścia).
W tem. T > 0 istieą elektroy mogące ouścić metal. Gęstość rąu emitowaych elektroów (rąu termoemisi) określa wzór Richarsoa: AT ex q / kt A - Stała Richarsoa q termoyamicza raca wyścia Metal Ag Au Al Cu Ni Pt Praca wy.(ev) 4.30 4.80 4.0 4.40 4.50 5.30 Jee elektroowolt (1 ev) est to eergia, aką uzyskue elektro, który est rzysieszay aięciem rówym 1 woltowi: 1 ev = 1 e 1 V = 1,60 10-19 J 1 J 6,41 10 18 ev
Emisa elektroów z ółrzewoika N (cm -3 ) 10 14 10 15 10 16 Praca wyścia w temeraturze okoowe (ev) Si 4.3 4.6 4.0 GaAs 4.44 4.37 4.31 Praca wyścia z PP zależy o kocetraci omieszek malee ze wzrostem koc.
.1. Kotakt metal-ółrzewoik (złącze Schottky`ego) Jeśli m >, elektroom łatwie wyostać się z ółrzewoika, J> Jm metal Si tyu Sta rze ustaleiem się rówowagi Założeie : m
Sta rówowagi Elektroy z M i P maą możliwość rzemieszczaia się i wyrówaia swoego otecału elektrochemiczego (oziomu Fermiego). Kieruek rzemieszczeń zależy o relaci rac wyścia.
Sta rówowagi rzy bezośreim kotakcie Pole kotaktowe zakrzywia oziomy eergetycze. Powstae ole elektrycze, wytwarzae rzez ozbawioe elektroów oory (N D +) w rzyzłączowe warstwie PP o grubości. W metalu gromazi się łauek amiarowy elektroów, który w warukach rówowagi termoyamicze owstrzyma alszy ich rzeływ. Tak owstae bariera otecału (bariera Schottky ego) q B o stroie metalu. Aby okoać barierę qu D elektro musi zyskać eergię otecalą.
Potecał ola V(x) est związay z gęstością łauku rzestrzeego ρ(x) rówaiem Poissoa: V x (x) 0 Przy stałe gęstości ρ = qn eergia otecala elektroów wyosi: q ( x) qv N ( x) 0 rzy czym grubość warstwy zaorowe wyliczoa z waruku la x=0 φ(x) = qu D wyosi: 0 N U q D 1/
Przykła: Dae: N = 10 15 cm -3 ε = 10 U D = 1 V 0 U N q D 1/ Obliczoa szerokość warstwy zubożoe = 1 μm Zmiaa eergii a asma owoue zmiaę kocetraci elektroów: ( x) Nc ex ( x) WF / kt 0ex ( x) / kt 0 - kocetraca rówowagowa w obętości ółrzewoika
.1.1. Wływ aięcia zewętrzego a obszar kotaktu m- U= 0 a. w kieruku rzewozeia a. w kieruku zaorowym Naięcie zewętrze zmieia rówież grubość warstwy zaorowe: Wszystkie oziomy ooszą się o qu, bariera malee 0 ( UD U) qn Wszystkie oziomy ouszczaą się o qu, bariera rośie
.1.. Przewozeie rąu rzez złącze z barierą Schottky`ego W staie rówowagi rąy 1 i są rówe ( 1 = = s ) w = 1 - = 0 rzykłaaąc aięcie w kieruku rzewozeia zmieszamy barierę o qu i strumień elektroów łyących z ółrzewoika o metalu (J 1 =J m ) wzrośie qu kt e razy (zgoie ze statystyką). Tyle razy wzrośie oowiei rą, oczas gy rą z metalu o ółrzewoika (J =J m ) ie zmiei się. Prą wyakowy la kieruku rzewozeia: s e qu kt s s e qu kt 1
Aaliza la aięcia wsteczego ae aalogicze wyrażeie ze zmieioym zakiem aięcia. Kieruek rzewozeia : U > 0 Kieruek zaorowy : U < 0 > 1 - grubość warstwy zaorowe Prostowaie a złączu metal / ółrzewoik (rą rzewozeia >> rąu wsteczego) Dokłaa teoria rąu łyącego rzez barierę uwzglęia wiele czyików (gęstość staów ow., rozmiar bariery, roza ruchu ośików w obszarze bariery). Zae teorie aą wyrażeia zbliżoe kształtem o wrowazoego, różice oawiaą się w wyrażeiach a s.
Elektryczy schemat zastęczy złącza la racy yamicze r s rezystaca szeregowa C oemość barierowa C oemość yfuzya Poemość złączowa C zależy o aięcia zewętrzego. Poemość yfuzya C est o zaiebaia ze wzglęu a iewystęowaie gromazeia ośików la U > 0 w obliżu warstwy iolowe (czas relaksaci ielektrycze w metalu est barzo mały).
Dioa Schottky'ego - ioa ółrzewoikowa, w które zastosowao złącze metal-ółrzewoik. Posiaa małą oemość złącza, zięki czemu tyowy czas rzełączaia wyosi tylko około 100 s. Dioy te zauą zastosowaie w ukłaach ziałaących rzy uże częstotliwości. Dioy Schottky'ego maą rówież mieszy saek aięcia w kieruku rzewozeia (U F = 0,3 V) iż ioy krzemowe (U F = 0,6-0,7 V). Symbol ioy Schottky ego
.. Złącze - Jest to obszar, w którym astęue zmiaa tyu rzewoictwa Powierzchia rozzielaąca - złącze techologicze. W otoczeiu - warstwa rześciowa (zubożoa, zaorowa) bęąca iolową warstwą ieruchomego łauku. Właściwości złącza zależą o rozau materiału, omieszek i sosobu rozłożeia omieszki ma a to wływ techologia. Złącze stoowe (metalurgicze) Si - Al Ge - I grzeik Al -Si Roztoioy rut Al silie omieszkue Si aąc materiał -Si. Metoa obecie rzako stosowaa. Złącze - ostawowa część skłaowa io, trazystorów biolarych i uiolarych.
Złącze yfuzye T >1000 C -Si -Si B SiO Dyfuza omieszki oorowe o ółrzewoika lub akcetorowe o. Stosue się omieszki w formie gazowe lub ciekłe. Źróło ieograiczoe o stałe wyaości stała kocetraca ośików o ołożem Źróło ograiczoe całkowita ilość atomów omieszki stała ie zmieia się w czasie yfuzi
Rozkła omieszki w złączu yfuzyym wyika z raw yfuzi (rawa Ficka) Rozkła omieszki rzy yfuzi akcetora ze źróła o stałe wyaości N a (0) N a (x) N x - wsółrzęa złącza techol. wyzaczoa rzez rówaie N a (x ) - N = 0 x x W obliżu x rzebieg aroksymue się zależością N( x) N a N ax Jest to rzykła tzw. złącza liiowego -.
Złącze imlatowae Domieszkowaie w wyiku bombarowaia kryształu oami omieszek w rzeziale eergii o ziesiątek o setek kev. Możliwy est owoly rofil rozkłau. Rozkła omieszek w wyiku wielokrote imlataci oów o różych eergiach Proces iskotem. (tem. okoowa) Przykła złącza skokowego (abrut)
Złącza eitaksale W trakcie rocesu aoszeia eitaksalego wrowaza się omieszkę z fazy gazowe lub ciekłe. Eitaksa (gr. ei + taxis = ołożoy a) wzrost owych warstw mookryształu a istieącym ołożu krystaliczym. Ukła istieące sieci krystalicze ołoża est owielay. Przykła złącza skokowego otrzymaego metoą eitaksi Eitaksa ozwala kotrolować omieszkowaie warstwy eitaksale, zarówo tyu ak i, i est to iezależe o omieszkowaia ołoża.
Buowa złącza -
..1. Sta rówowagowy złącza Obie warstwy rze zetkięciem wykazuą oboętość elektryczą. Zetkięcie obszarów N i P rowazi o wzaeme yfuzi ośików a skutek graietów kocetraci. W obszarze graiczym warstwy N ozostaą ieskomesowae łauki oatie ieruchomych cetrów oorowych, w obszarze graiczym warstwy P ieskomesowae łauki ueme ieruchomych cetrów akcetorowych. Naięcie wytworzoe w obszarze złącza - bariera otecału. Aimaca formowaie złącza: htt://www.acsu.buffalo.eu/~wie/alet/formatio/formatio.html
W obszarze graiczym owstae warstwa iolowa łauku, wytwarzaąc ole elektrycze rzeciwziałaące yfuzi ośików większościowych - warstwa zaorowa. Całkowity łauek warstwy iolowe musi być rówy zero. qn q a 0 Stą: głębokość wikaia warstwy tym większa, im miesza kocetraca omieszek. iolowa warstwa łauku rzestrzeego W obszarze + brak łauków swoboych
Łauek rzestrzey wytwarza ole elektrycze E(x) i otecale V(x), które moża wyzaczyć z rówaia Poissoa: V x e E grav 0 Dla złącza skokowego otrzymue się ast. rzebiegi otecału V(x) i ola elektryczego E(x) Dla: x E( x) E( x) Aalogiczie: qn x qn 0 a Dla: x x x (obszar ) 0 x x x x x Wbuowae ole elektrycze (obszar 1) Obszar1: qna V x) V x x 0 Obszar : qn V ( x) Vk x x ( 0 U D - aięcie yfuzye (bariera otecału), aięcie wbuowae
Wysokość bariery moża wyliczyć z aalizy rąu uoszeia i yfuzi: U D kt q l kt q l - koc. elektroów w materiale - koc. ziur w materiale Bariera est tym większa, im większa est różica mięzy kocetracami ośików aego zaku w obu obszarach. Przykła obliczeń
Przykła obliczeia wysokości bariery U D : Materiał : Si N = 5 x 10 15 cm -3 = N a = 5 x 10 15 cm -3 = T 10 300K i 1,5 10 cm 3 Z rawa ziałaia mas: i i i i,5 10 15 5 10 W obszarze zubożoym mamy raktyczie o czyieia z samoistą kocetracą ośików (~10 10 cm -3 ) wobec ~10 15 cm -3 w obszarach ozabarierowych. 0,5 10 15 5 10 0 4,5 4,5 10 4 10 cm 4 cm 3 3 15 kt 1 5 10 U D l l 0, 66 4 q 40 4,5 10 V
Szerokość bariery wylicza się ze zmia otecału i waruku eutralości elektrycze. Dla złącza skokowego: N N 0 a U rzyłożoe aięcie U D U q N N zewętrze a Dla U < 0 (olaryzaca wstecza) rozmiar bariery rośie Zmiaa aięcia olaryzaci ae zmiaę wysokości bariery i e grubości. Zmiaa grubości związaa est ze zmiaą łauku iolowego.
Moża zefiiować oemość barierową orzez zmiaę łauku iolowego: Q 0 S C U Po ostawieiu za otrzymue się: C C ( U) 1 C 0 U U D 1/ (x) Q + Q + C 0 x Q - Q - Zmiaa łauku iolowego Q Q Q 0 U D Zależość oemości barierowe o aięcia olaryzaci
... Przeływ rąu rzez złącze - Sta rówowagi Brak aięcia zewętrzego
Przeływ rąu rzez złącze - W c E Sta rówowagi U= 0 W F D E D D E W D D E Prą wyakowy łyący rzez złącze rówy zero.
Polaryzaca w kieruku zaorowym źróło zewętrze U ma bieguowość zgoą z bieguowością aięcia yfuzyego (a rys oz. B). Bariera otecału zwiększa się o wartość aięcia zewętrzego rośie szerokość warstwy zaorowe (większa wartość łauku rzestrzeego). Maleą skłaowe yfuzye rąów elektroowego i ziurowego (ie zmieiaą się skłaowe uoszeia ośików mieszościowych). Polaryzaca w kieruku rzewozeia biegu oati źróła ołączoy z warstwą P, a uemy z N (rzeciwa bieguowość o aięcia yfuzyego). Bariera otecału malee o wartość aięcia zewętrzego. Malee szerokość warstwy zaorowe. Rosą skłaowe rąu yfuzi elektroów i ziur. Skłaowe rąu uoszeia ośików mieszościowych ozostaą a iezmieioym oziomie.
Naięcie wstecze Rośie bariera otecału Prą ośików większościowych (yfuzyy) silie malee, rą ośików mieszościowych (uoszeia) ie zmieia się Dla kieruku rzewozeia: rą ośików większościowych rośie, rą ośików mieszościowych ie zmieia się.
Prą wyakowy (rówaie ioy): I I s qu ex kt 1 U > 0 kier. rzewozeia U < 0 kier. zaorowy I s - rą asyceia Rzeczywisty rzebieg obiega o iealego w zakresie rzewozeia:
Rozkła kocetraci ośików w złączu brak aięcia zewętrzego aięcie w kieruku rzewozeia Bariera la yfuuących ośików większościowych obiża się o qv iiekca ośików mieszościowych
aięcie w kieruku zaorowym Nośiki mieszościowe są wychwytywae rzez ole złącza i rzeoszoe a rugą stroę - ekstrakca ośików mieszościowych.
Do oczytaia lub oberzeia: - rozbuowae wykłay z PP (POL) htt://skaczmarek.zut.eu.l/materialy/elektroika.html Itrouctio to Semicouctors (ENG) -htt://www.oitoms.ac.uk/tllib/semicouctors/iex.h