Barrera de Schottky

Una barrera de Schottky, que lleva el nombre de Walter H. Schottky, es una barrera de energía potencial para electrones formada en una unión metal-semiconductor. Las barreras Schottky tienen características rectificadoras, aptas 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.

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

Física de la formación

Cuando un metal se pone en contacto directo con un semiconductor, se puede formar la llamada barrera Schottky, lo que lleva 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 cumple la relación opuesta entre las funciones de trabajo.

En la base de la descripción de la formación de la barrera Schottky a través del formalismo del diagrama de bandas, existen tres supuestos principales:

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

Para una primera aproximación, la barrera entre un metal y un semiconductor es predicha por la regla Schottky-Mott para ser proporcional a la diferencia de la función de trabajo metal-vacuum y la afinidad de electrones semiconductor-vacuum. Para un metal aislado, la función de trabajo ${displaystyle ¿Qué?$ se define como la diferencia entre su energía de vacío ${displaystyle E_{0}$ (es decir, la energía mínima que un electrón debe poseer para liberarse completamente del material) y la energía fermi ${displaystyle E_{F}$, y es una propiedad invariante del metal especificado:

$${displaystyle Phi ¿Qué?$$

Por otro lado, la función de trabajo de un semiconductor se define como:

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

Donde ${displaystyle chi }$ es la afinidad de electrones (es decir, la diferencia entre la energía del vacío y el nivel de energía de la banda de conducción). Es valioso describir la función de trabajo del semiconductor en términos de su afinidad de electrones ya que este último es una propiedad fundamental invariable del semiconductor, mientras que la diferencia entre la banda de conducción y la energía Fermi depende del dopaje.

Cuando los dos materiales aislados se ponen en contacto íntimo, la igualdad de los niveles de Fermi lleva al movimiento de carga de un material a otro, dependiendo de los valores de las funciones de trabajo. Esto conduce a la creación de una barrera energética, ya que en la interfaz entre los materiales se recogen algunos cargos. Para electrones, la altura de la barrera ${displaystyle ¿Qué?$se puede calcular fácilmente como la diferencia entre la función de trabajo de metal y la afinidad de electrones del semiconductor:

$${displaystyle Phi ¿Qué? Phi ¿Qué?$$

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

$${displaystyle Phi ¿Por qué? Phi _{B_{n}$$

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 de electrones dentro de su banda prohibida. La naturaleza de estos estados de brecha inducidos por metales y su ocupación por electrones tiende a fijar el centro de la banda prohibida al nivel de Fermi, un efecto conocido como fijación del nivel de Fermi. Por lo tanto, las alturas de las barreras de Schottky en los contactos metal-semiconductores a menudo muestran poca dependencia del valor de las funciones del semiconductor o del trabajo del metal, en fuerte contraste con la regla de Schottky-Mott. Diferentes semiconductores exhiben este 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 Schottky rectificadora, la barrera es lo suficientemente alta como para que haya 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. Bajo una gran polarización de voltaje, la corriente eléctrica que fluye a través de la barrera se rige esencialmente por las leyes de la emisión termoiónica, combinadas con el hecho de que la barrera Schottky está fija en relación con el nivel de Fermi del metal.

Sesgo futuro: electrones termalmente excitados son capaces de derramar en el metal.

Sesgo inverso: La barrera es demasiado alta para electrones termalmente excitados para entrar en la banda de conducción del metal.

• Bajo el sesgo delantero, hay muchos electrones termalmente excitados en el semiconductor que son capaces de pasar sobre la barrera. El paso de estos electrones sobre la barrera (sin ningún electrones que regrese) corresponde a una corriente en la dirección opuesta. La corriente aumenta muy rápidamente con sesgo, sin embargo a altas sesgos la resistencia de la serie del semiconductor puede comenzar a limitar la corriente.
• Bajo el sesgo inverso, hay una pequeña corriente de fuga ya que algunos electrones termalmente excitados en el metal tienen suficiente energía para superar la barrera. Para la primera aproximación esta corriente debe ser constante (como en la ecuación de diodo Shockley); sin embargo, la corriente aumenta gradualmente con sesgo reverso debido a una baja de barrera débil (similar al efecto Schotky vacío). En los sesgos muy altos, la región del agotamiento se descompone.

Nota: la discusión anterior es para una barrera Schottky para un semiconductor de tipo n; Se aplican consideraciones similares para un semiconductor de tipo p.

La relación corriente-voltaje es cualitativamente la misma que con una unión p-n, sin embargo, el proceso físico es algo diferente.

Valores de conducción

La emisión termoiónica se puede formular de la siguiente manera:

$${displaystyle ¿Qué? {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnK}} {biggr}}}$$

Si bien la densidad de corriente de túnel se puede expresar, para una barrera de forma triangular (considerando la aproximación WKB) como:

$${displaystyle J_{T_{n,p}={frac {q^{3}E^{2}{16pi} ^{2}hbar Phi ¿Por qué? {-4fnMicrosoft Sans Serif} ¿Por qué? {2m_{n,p}}{3qhbar E}$$

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

Inyección de portadora minoritaria

Para barreras Schottky muy altas donde Φ_B es una fracción significativa de la banda prohibida del semiconductor, la corriente de polarización directa puede ser transportada "debajo" la barrera de Schottky, como portadores minoritarios en el semiconductor.

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

Dispositivos

Un diodo Schottky es una unión única de metal y semiconductor, 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 voltaje directo, 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 puertas que superpone ambas uniones, se puede obtener un transistor de efecto de barrera Schottky (SB-FET). La puerta dirige la inyección de portador dentro del canal modulando la banda doblando 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 se activa. Este tipo de dispositivo tiene un comportamiento ambipolar ya que cuando se aplica un voltaje positivo a ambas uniones, su diagrama de banda está doblado hacia abajo permitiendo una corriente de electrones de origen a drenaje (la presencia de un ${displaystyle V_{DS}$ El voltaje siempre es implícito) debido al túnel directo. En el caso contrario de un voltaje negativo aplicado a ambas uniones el diagrama de banda está doblado hacia arriba y los agujeros se pueden inyectar y fluir del drenaje a la fuente. Ajuste el voltaje de la puerta a 0 V suprime la corriente de túnel y permite sólo una corriente inferior debido a eventos termónicos. Una de las principales limitaciones de dicho dispositivo está fuertemente relacionada con la presencia de esta corriente que hace difícil apagarla adecuadamente. Una ventaja clara de tal dispositivo es que no hay necesidad de dopaje de canales y pasos tecnológicos costosos como implante de iones y anealings de alta temperatura se pueden evitar, manteniendo el presupuesto térmico bajo. Sin embargo, la curvatura de la banda debido a la diferencia de tensión entre el drenaje y la puerta a menudo inyecta suficientes portadores para hacer imposible un apagado adecuado del dispositivo. Además, las bajas corrientes debido a la resistencia intrínseca de los contactos de Schottky son típicas de este tipo de dispositivo como una escalabilidad muy dura e irreliable debido al difícil control de la zona de unión.

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 de sus variantes de bajo consumo.

Un MESFET o FET semiconductor de metal utiliza una barrera Schottky con polarización inversa para proporcionar una región de agotamiento que separa 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 electrónica (HEMT), que también utiliza una heterounión 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 se puede utilizar 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 de Schottky, los dopantes permanecen ionizados y dan lugar a una "carga espacial" que a su vez dan lugar a una capacitancia de la unión. La interfaz metal-semiconductor y el límite opuesto del área agotada actúan como dos placas de condensador, y la región agotada actúa 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 perfilado de voltaje de capacitancia. Al analizar la velocidad a la que la capacitancia responde a los cambios de voltaje, es posible obtener información sobre dopantes y otros defectos, una técnica conocida como espectroscopia transitoria de nivel profundo.