Įvairialytės sandūros. m dp dariniai

Įvairialytės sandūros. MDP dariniai

Puslaidininkiniuose įtaisuose naudojamos vienalytės pn sandūros, įvairialytės pn sandūros, metalo-puslaidininkio, metalo-dielektriko-puslaidininkio (MDP), metalo-oksido-puslaidininkio (MOP) ir kiti dariniai.

Apžvelgsime reiškinius įvairialyčių medžiagų sandūrose ir įvairialyčių kontaktų bei puslaidininkių paviršinių sluoksnių savybes. Kontaktiniai reiškiniai svarbūs, kai srovė teka statmenai sandūroms ir kerta sandūros pereinamąjį sluoksnį. Paviršiniai reiškiniai svarbūs, kai srovė teka paviršiniu sluoksniu – lygiagrečiai su paviršiumi.

Turinys

• Metalo-puslaidininkio sandūros

• Elektronų išlaisvinimo darbas

• Reiškiniai metalo ir puslaidininkio sandūrose

• Metalo-puslaidininkio sandūrų savybės

• Įvairialytės sandūros

• MDP dariniai

• Paviršiniai reiškiniai

ELEKTRONIKOS PAGRINDAI 2008

VGTU EF ESK [email protected]

1

Metalo-puslaidininkio sandūros

Metalo-puslaidininkio kontaktas buvo panaudotas pirmuosiuose puslaidi-ninkiniuose dioduose. Dabar pasižyminčios vienakrypčiu laidumu metalo-puslaidininkio sandūros taikomos didelės veikimo spartos ir kituose puslaidininkiniuose įtaisuose. Be to, visuose puslaidininkiniuose įtaisuose reikalingi pasižymintys maža varža ominiai metalo-puslaidininkio kontaktai (sąlyčiai).

Išnagrinėkime reiškinius metalo-puslaidininkio sandūrose ir išsiaiškinkime, kas lemia metalo-puslaidininkio sandūrų savybes.

Metalo-puslaidininkio sandūrų savybės priklauso nuo elektrono išlaisvinimo darbo iš metalo, išlaisvinimo darbo iš puslaidininkio ir kitų puslaidininkio savybių.



2

Metalo-puslaidininkio sandūros. Elektronų išlaisvinimo darbas

Susidarant kietajam kūnui, tarp atomų atsiranda cheminiai ryšiai. Atomų ir jų elektronų energijos sumažėja. Todėl kietajame kūne elektronai yra potencialo duobėje.

… Jeigu elektronas tolsta nuo metalo bandinio, šiame bandinyje lieka nekompensuotas teigiamasis jonas ir atsiranda elektrinės traukos jėga, trukdanti elektronui nutolti. Dėl šios jėgos veikimo ištrūkdamas iš metalo bandinio elektronas turi įveikti potencialo barjerą.

Vidutinis darbas, kurį turi atlikti elektronas ištrūkdamas iš kietojo kūno, yra lygus energiniam atstumui tarp nulinio energijos lygmens ir Fermio lygmens.

Jis vadinamas termodinaminiu išlaisvinimo darbu, arba tiesiog išlaisvinimo darbu.

F0 WWA



3

Reiškiniai metalo-puslaidininkio sandūrose

... Aptarkime metalo ir n puslaidininkio sandūrą tuo atveju, kai elektrono išlaisvinimo iš metalo darbas didesnis už elektrono išlaisvinimo iš puslaidininkio darbą.

Sujungus badinius, elektronai iš sistemos dalies, kurioje išlaisvinimo darbas mažesnis, pereina į sistemos dalį, iš kurios elektronų išlaisvinimo darbas didesnis (iš puslaidininkio, kuriame Fermio lygmuo aukštesnis, į metalą, kur Fermio lygmuo žemesnis).

Ištrūkus iš puslaidininkio elektronams, sandūroje susidaro nuskurdintasis puslaidininkio sluoksnis, pasižymintis didesne savitąja varža.



4

Tarp nekompensuotų teigiamųjų donorų jonų ir perėjusių į metalą bei susitelkusių ploname sluoksnyje elektronų susidaro vidinis elektrinis laukas, stabdantis kitų n srities elektronų judėjimą į metalą.Nusistojus pusiausvyrai, metalo ir puslaidininkio Fermio lygmenys susilygina. Už sluoksnio, kuriame veikia elektrinis laukas, ribų metalo ir puslaidininkio energijos lygmenų padėtis Fermio lygmens atžvilgiu lieka nepakitusi.

Puslaidininkio sluoksnyje, kur veikia elektrinis laukas, energijos juostos išlinksta, ir kontakto srityje tarp puslaidininkio ir metalo susidaro potencialo barjeras.

nMkq AAU

Dėl energijos juostų išlinkimo pereinamajame sluoksnyje padidėja nuotolis tarp laidumo juostos dugno ir Fermio lygmens. Fermio lygmuo priartėja prie draudžiamosios juostos vidurio.

... Esant didesniam išlaisvinimo darbų skirtumui, energijos juostos tiek išlinktų, kad Fermio lygmuo prie kontakto atsidurtų žemiau draudžiamosios juostos vidurio. Tada kontakto srityje susidarytų apgrąžinis (inversinis) p sluoksnis. Atsiradus apgrąžiniam sluoksniui, metalo ir n puslaidininkio sandūroje susidaro pn sandūra.




5

... Kai elektronų išlaisvinimo iš metalo darbas didesnis nei iš n puslaidininkio, sandūroje susidaro nuskurdintasis didelės varžos sluoksnis, vadinamas užtvariniu sluoksniu, arba net apgrąžinis skylinio laidumo puslaidininkio sluoksnis ir pn sandūra.

Jeigu elektrono išlaisvinimo iš metalo darbas mažesnis už elektrono išlaisvinimo iš n puslaidininkio darbą, sudarius metalo-puslaidininkio sandūrą, elektronai iš metalo pereina į puslaidininkį. Tada sandūroje susidaro didelio laidumo puslaidininkio sluoksnis su didesniu pagrindinių krūvininkų – elektronų – tankiu. Padidėjus elektronų tankiui, laidumo juostos dugnas priartėja prie Fermio lygmens.

Nagrinėdami metalo ir p puslaidininkio sandūrą, galėtume įsitikinti, kad nuskurdintasis ar net apgrąžinis sluoksnis susidaro, kai AM < Ap.

Jeigu AM > Ap, sandūroje susidaro laidusis praturtintasis sluoksnis.




6

Metalo-puslaidininkio sandūrų savybės

Metalo-puslaidininkio sandūroje susidaręs užtvarinis sluoksnis pasižymi ventilio savybėmis. Paprasčiausią tokios sandūros teoriją 1938 m. sukūrė V. Šotkis (Schottky). Užtvariniame sluoksnyje susidarantis potencialo barjeras dabar vadinamas Šotkio barjeru.

Kai išorinė įtampa neveikia, įveikiantys potencialo barjerą elektronai sukuria nedidelį srautą iš puslaidininkio į metalą.

Susikūrus sandūroje vidiniam elektriniam laukui, susidaro dreifinis elektronų srautas iš metalo į puslaidininkį.

Pusiausvyros sąlygomis minėti srautai kompensuoja vienas kitą ir pilnutinės srovės per sandūrą stipris lygus nuliui.

Walter Schottky was a German physicist whose research in solid-state physics and electronics yielded many effects and devices that now bear his name (Schottky effect, Schottky barrier, Schottky diode).

http://www.geocities.com/bioelectrochemistry/schottky.htm



7

Jeigu prie metalo ir puslaidininkio darinio prijungiama išorinė įtampa, kurios teigiamasis polius prijungtas prie n srities, o neigiamasis polius – prie metalo, tai puslaidininkio potencialas pakyla, jame esančių elektronų potencinė energija sumažėja, ir puslaidininkio energijos lygmenys pasislenka žemyn.

Išorinė įtampa krinta didelės varžos nuskurdintajame sluoksnyje, ir aukštis potencialo barjero, kurį sutinka elektronai, pereinantys iš puslaidininkio į metalą, padidėja.

... aptariamo poliškumo įtampa yra atvirkštinė įtampa.

Pradėjus veikti išorinei įtampai, aukštis barjero, kurį sutinka elektronai, judėdami iš metalo į puslaidininkį, nepakinta. Todėl, susilpnėjus elektronų srautui iš puslaidi-ninkio į metalą, per sandūrą teka tik silpnas srautas iš metalo į puslaidininkį.




8


Jeigu prie sandūros prijungiama tiesioginė įtampa, puslaidininkio potencialas metalo atžvilgiu sumažėja, puslaidininkio srities elektronų potencinė energija padidėja, ir puslaidininkio energijos lygmenys pakyla.Mažėjant aukščiui potencialo barjero, kurį sutinka elektronai, pereinantys iš puslaidi-ninkio į metalą, eksponentiškai stiprėja elektronų iš puslaidininkio į metalą srautas.

... Srovės, tekančios per metalo-puslaidininkio sandūros užtvarinį sluoksnį, stiprio priklausomybė nuo įtampos išreiškiama formule: 1)k/qexp(s TUII

... Išraiška sutampa su idealios pn sandūros voltamperinės charakteristikos išraiška.

... Tačiau tekant per metalo ir puslaidininkio sandūros užtvarinį sluoksnį tiesioginei srovei, nevyksta šalutinių krūvininkų injekcija ir kaupimas. Perėję iš n puslaidininkio į metalą elektronai lieka pagrindiniais krūvininkais. Ši aplinkybė lemia geras metalo-puslaidininkio sandūrų dažnines savybes, didelę veikimo spartą, todėl jos taikomos mikrobangų įtaisuose.



9


... Dėl metalo-puslaidininkio sandūrų savybių kyla keblumų, kuriant puslaidininkinius įtaisus.

... Puslaidininkio ir metalinių išvadų kontaktai turi būti ominiai – jų varžos turi būti mažos, o voltamperinės charakteristikos tiesinės.

... Siekiant sumažinti metalo ir n puslaidininkio kontakto srityje susidarantį užtvarinį barjerą, puslaidininkio sluoksnis po kontaktu papildomai legiruojamas donorinėmis priemaišomis.

Iš energijos lygmenų diagramos matyti, kad, sudarius n+ sluoksnį, galima pasiekti, kad pereinantys iš n puslaidininkio į metalą elektronai nesutiktų barjero.



10

Silicio integrinių grandynų elementų jungiamieji laidininkai – laidieji takeliai – dažnai daromi iš aliuminio. Aliuminis, kaip žinome, yra akceptorinė priemaiša. Todėl, sudarant aliuminio takelių kontaktus su puslaidininkio p sritimis, jokių komplikacijų nekyla. Atkaitinant kontaktus, aliuminio atomai difunduoja į puslaidininkį, kontakto srityje susidaro akceptorinėmis priemaišomis papildomai legiruotas sluoksnis, pasižymintis dideliu laidumu, ir gaunamas geras ominis kontaktas.

Prasiskverbus aliuminio atomams į n sritį, galėtų susidaryti didesnės varžos sluoksnis, kuriame efektinis donorų tankis mažesnis, arba net p laidumo sritis ir pn sandūra. Siekiant to išvengti, n sritis po būsimuoju silicio kontaktu su aliuminio išvadu papildomai legiruojama donorinėmis priemaišomis, kurių tankis gerokai viršija maksimalų aliuminio tirpumą silicyje. Susidaręs n+ sluoksnis pasižymi išsigimusio puslaidininkio – pusmetalio – savybėmis. Jo laidumas lieka didelis net į jį prasiskverbus aliuminio atomams.




11

Metalo-puslaidininkio sandūrų savybės. Užduotis

Sandūra sudaryta tarp metalo ir n puslaidininkio. Elektronų išlaisvinimo iš metalo darbas – 1,4 eV, išlaisvinimo iš puslaidininkio darbas – 1 eV. Prijungus tarp puslaidininkio ir metalo sričių 0,4 V įtampą, 300 K temperatūroje teka 0,1 A srovė. Koks būtų srovės stipris, pakeitus įtampos poliškumą?



12

Įvairialytės sandūros

Yra puslaidininkių, kurių kristalinių gardelių konstantos beveik vienodos ir kurių kristalizacija vyksta panašiai. Tada jie gali būti auginami vienas ant kito ir sudaryti vieną kristalą. Tačiau skirtingų puslaidininkinių medžiagų sandūroje kinta draudžiamosios juostos plotis, elektroninis giminiškumas, elektronų išlaisvinimo darbas, dielektrinė skvarba ir kitos medžiagų savybės. Tarp tokių medžiagų susidaro įvairialytės sandūros, arba heterosandūros.Kiekvienas įvairialytės sandūros puslaidininkis gali būti legiruotas donorinėmis ar akceptorinėmis priemaišomis. Todėl galimi keturi įvairialyčių sandūrų tipai: nN, pP, nP ir pN. Čia didžiosios raidės žymi platesnės draudžiamosios juostos, mažosios – siauresnės draudžiamosios juostos puslaidininkį.

N, n bandiniai, jų energijos lygmenų diagramos (a), iš šių bandinių sudarytas Nn darinys ir jo energijos lygmenų diagrama (b)

... Sandūroje susidaro ominis kontaktas.



13


N, p bandiniai, jų energijos lygmenų diagramos (a), iš šių bandinių sudarytas Np darinys ir jo energijos lygmenų diagrama (b)

Staigiosios Np sandūros juostinis modelis panašus į vienalytės np sandūros juostinį modelį: elektronams ir skylėms susidaro potencialo barjerai. ... Yra ir esminis skirtumas – įvairialytėje sandūroje potencialo barjerai elektronams ir skylėms yra nevienodo aukščio.... Elektroninės ir skylinės srovių per įvairialytę sandūrą santykį lemia potencialo barjerų elektronams ir skylėms aukščiai, o ne darinio sričių legiravimas.

Įvairialytės sandūros naudojamos mikrobangų, optinės elektronikos ir kituose puslaidininkiniuose įtaisuose.



14

2000 Nobel Prize winners (physics):

One-half jointly to Zhores I. Alferov (Russia) and Herbert Kroemer (U.S.) “for developing semiconductor heterostructures used in high-speed- and opto-electronics,” and one-half to Jack S. Kilby (U.S.) “for his part in the invention of the integrated circuit.”


Alferov and Kroemer's inventions led to the development of fast transistors, which are used in radio link satellites and mobile telephone base stations. Kilby contributed to the development of the microchip, the basis of all modern technology.



15

http://www.infoplease.com/cgi-bin/id/A0767163

http://www.infoplease.com/cgi-bin/id/A0767163

MDP dariniai

Tarkime, kad ant monokristalinio puslaidininkio sluoksnio buvo sudarytas dielektriko sluoksnis, o ant jo – metalinis elektrodas. Toks darinys vadinamas MDP (metalo-dielektriko-puslaidininkio) dariniu.

Prie MDP darinio prijungus išvadus, puslaidininkio paviršinį elektrinį laidumą galima valdyti išorine įtampa.

Paviršiniu laidumu vadinamas puslaidininkio vienetinio pločio ir vienetinio ilgio sluoksnio laidumo pokytis s = – 0 čia 0 ir – šio sluoksnio laidumas neveikiant ir veikiant įtampai.

Dielektriko sluoksnio draudžiamoji juosta – plati, todėl metalo ir puslaidininkio elektronus skiria aukštas potencialo barjeras, ir MDP darinys yra savotiškas kondensatorius.

Prijungta prie MDP darinio išorinė įtampa krinta dielektriko sluoksnyje ir paviršiniame puslaidininkio sluoksnyje. Atsiradęs elektrinis laukas gali pakeisti šalia dielektriko esančio puslaidininkio paviršinio sluoksnio laidumą.



16

MDP dariniai

... Šalia dielektriko gali susidaryti praturtintasis, nuskurdintasis ar net apgrąžinis puslaidininkio sluoksnis.

Prijungus prie MDP darinio įtampą (pliusu prie metalo), metalinis elektrodas įsikrauna teigiamai. Teigiamasis metalinio elektrodo krūvis traukia neigiamus elektronus. Todėl paviršiniame puslaidininkio sluoksnyje padidėja elektronų tankis. Kadangi elektrinis laukas šiek tiek prasiskverbia ir į puslaidininkį, prie paviršiaus jo energijos juostos išlinksta.

Didėjant įtampai, paviršiniame sluoksnyje didėja pagrindinių krūvininkų – elektronų – tankis, ir didėja šio sluoksnio elektrinis laidumas.

Elektronai gali telktis labai ploname sluoksnyje (jo storis palyginamas su Debajaus (Debye) ekranavimo nuotoliu).

... Priemaišiniuose puslaidininkiuose Debajaus ekranavimo nuotolis esti nanometrų eilės ir ... praktiškai nepriklauso nuo įtampos.



17

MDP dariniai

Pakeitus išorinės įtampos poliškumą, metalinis elektrodas įsikrauna neigiamai. Jo neigiamasis elektros krūvis stumia nuo puslaidininkio vidinio paviršiaus pagrindinius krūvininkus – elektronus.

Mažėjant pagrindinių krūvininkų tankiui, prie paviršiaus susidaro nuskurdintasis sluoksnis.

... Nuskurdintojo sluoksnio storio skaičiavimo metodika panaši kaip pn sandūros atveju.

Skaičiavimais galima įsitikinti, kad nuskurdintojo sluoksnio storis esti daug kartų didesnis už Debajaus ekranavimo nuotolį ir, didėjant išorinei įtampai, didėja.

Nuskurstant paviršiniam puslaidininkio sluoksniui, jo laidumas mažėja.



18


... Neigiamasis metalinio elektrodo krūvis traukia prie puslaidininkio paviršiaus skyles ir, mažėjant pagrindinių krūvininkų – elektronų – tankiui, didėja skylių tankis.

Toliau kylant įtampai, didėjantis metalinio elektrodo neigiamasis krūvis dar labiau stumia elektronus ir traukia skyles.Kai įtampa viršija slenkstinę, skylių tankis tampa didesnis už elektronų tankį ir prie puslaidininkio paviršiaus susidaro apgrąžinis skylinio laidumo sluoksnis. Šio sluoksnio storis apytikriai lygus Debajaus ekranavimo nuotoliui. Kylant įtampai, skylių tankis apgrąžiniame sluoksnyje didėja, todėl didėja ir puslaidininkio paviršinis laidumas.

Kai skylių ir elektronų tankiai susilygina, puslaidininkio paviršinio sluoksnio laidumas tampa minimalus, nes krūvininkų tankiai prie paviršiaus yra tokie, kaip grynajame puslaidininkyje.



19

MDP dariniai

MDP darinio, kaip kondensatoriaus, talpa priklauso nuo išorinės įtampos.

Kai veikia įtampa, kuri praturtina paviršinį puslaidininkio sluoksnį pagrindiniais krūvininkais, kondensatoriaus dielektriko vaidmenį atlieka dielektriko sluoksnis.

... Didėjant įtampai, MDP darinio talpa nekinta.

Krūvininkų tankių ir puslaidininkio paviršinio laidumo kitimas, kintant statmenam puslaidininkio paviršiui elektriniam laukui, vadinamas lauko reiškiniu, arba lauko efektu. Lauko reiškiniu pagrįstas lauko tranzistorių veikimas.



20

MDP dariniai

Jeigu veikia įtampa, kuri skurdina paviršinį puslaidininkio sluoksnį, dielektriko vaidmenį atlieka dielektriko sluoksnis kartu su nuskurdintuoju puslaidininkio sluoksniu.

Didėjant įtampai, nuskurdintasis sluoksnis storėja, didėja atstumas tarp kondensatoriaus elektrodų, ir MDP darinio talpa mažėja.

Susidarius apgrąžiniam sluoksniui, tarp dielektriko sluoksnio ir nuskurdintojo sluoksnio atsiranda plonas laidusis sluoksnis, ir MDP darinį galima nagrinėti kaip du nuosekliai sujungtus kondensatorius. Atsiradus apgrąžiniam sluoksniui ir kylant įtampai, didėja krūvininkų krūvis apgrąžiniame sluoksnyje, elektrinis laukas nuskurdintajame sluoksnyje nebestiprėja, šis sluoksnis nebesiplečia, todėl MDP darinio talpa nebekinta.



21

MDP dariniai

Ištisine linija pavaizduotą MDP darinio voltfaradinę charakteristiką eksperimen-tiškai galima gauti, kai matavimo grandinėje kintamosios įtampos dažnis yra pakankamai aukštas (viršija šimtus kilohercų) ir virpesių periodas trumpesnis už šalutinių krūvininkų gyvavimo trukmę. Jeigu dažnis žemas, apgrąžiniame sluoksnyje elektrinis krūvis spėja kisti, veikiant kintamajai įtampos dedamajai. Tada kintamasis elektrinis laukas į nuskurdintąjį sluoksnį neprasiskverbia, ir MDP darinio talpą lemia dielektriko storis. Tuo atveju gaunama MDP darinio voltfaradinė charakteristika, pavaizduota brūkšnine linija.

Analogiški reiškiniai gali vykti metalo, dielektriko ir p puslaidininkio dariniuose, tik atitinkami sluoksniai susidaro veikiant priešingo poliškumo įtampoms.

Bendra taisyklė tokia: praturtintasis sluoksnis susidaro, kai prie metalinio elektrodo prijungto įtampos poliaus ženklas priešingas puslaidininkio pagrindinių krūvininkų krūvio ženklui; nuskurdintasis ar apgrąžinis sluoksnis susidaro, kai metalinio elektrodo elektros krūvis toks, kad jis stumia pagrindinius puslaidininkio krūvininkus ir traukia šalutinius krūvininkus.

Kai puslaidininkis yra silicis, dielektriko vaidmenį MDP dariniuose dažniausiai atlieka silicio dioksido SiO2 sluoksnis, sudaromas oksiduojant puslaidininkio paviršių. Todėl tokie dariniai vadinami MOP dariniais.



22

Paviršiniai reiškiniai

Paviršinius reiškinius gali sukelti ne tik elektrinis laukas. Puslaidininkio kristalo paviršiuje nutrūksta kristalinės gardelės periodiškumas. Be to, kristalo paviršių veikia aplinka. Jis gali adsorbuoti kitų medžiagų atomus.

Realių kristalų atveju papildomi paviršiniai lygmenys susidaro dėl adsorbuotų atomų bei kristalinės gardelės defektų (vakansijų, dislokacijų). Šie lygmenys gali atlikti donorų, akceptorių, elektronų ir skylių rekombinacijos ir prilipimo centrų vaidmenį. Todėl paviršiniai lygmenys gali smarkiai pakeisti krūvininkų tankį, judrumą ir paviršinio sluoksnio laidumą.

Kai n puslaidininkio paviršiuje yra donorinių lygmenų, ... elektrinis laukas traukia prie paviršiaus elektronus. Dėl elektrinio lauko išlinksta energijos juostos prie kristalo paviršiaus. Padidėjus pagrindinių krūvininkų tankiui, padidėja paviršinio sluoksnio laidumas.



23

Paviršiniai reiškiniai

Kitokia yra akceptorių sukelto neigiamojo paviršinio krūvio įtaka n puslaidininkiui. Neigiamas krūvis stumia pagrindi-nius krūvininkus – elektronus – ir traukia šalutinius krūvininkus – skyles. Prie paviršiaus energijos juostos išlinksta taip, kad energinis atstumas tarp laidumo juostos dugno ir Fermio lygmens padidėja. Paviršiniam krūviui didėjant, elektronų tankis paviršiniame sluoksnyje mažėja, skylių tankis didėja, energijos juostos labiau išlinksta, ir prie paviršiaus gali net pasikeisti puslaidi-ninkio laidumo tipas – gali susidaryti apgrąžinis p sluoksnis.

p puslaidininkio paviršiuje susidaręs neigiamasis paviršinis krūvis padidina skylių tankį paviršiniame puslaidininkio sluoksnyje. Teigiamasis paviršinis krūvis sukuria nuskurdintąjį ar net apgrąžinį sluoksnį.

Paviršiniai reiškiniai gali pakeisti puslaidininkinių įtaisų savybes. Paviršiniai lygmenys pagauna krūvininkus, ekranuoja išorinį elektrinį lauką, silpnina lauko reiškinį. Todėl buvo sunkumų kuriant MOP integrinius grandynus ir kitus lauko reiškiniu pagrįstus puslaidininkinius įtaisus.



24

Ghani, Mistry, Chau, and Bohr of Intel with a wafer of 45-nanometer microprocessors

http://www.spectrum.ieee.org/oct07/5553



25

PABAIGA



26

Įvairialytės sandūros. m dp dariniai

Documents