Unión metal-semiconductor

En física del estado sólido , una unión metal-semiconductor ( M-S ) es un tipo de unión eléctrica en la que un metal entra en contacto directo con un material semiconductor . Es el tipo más antiguo de dispositivo semiconductor práctico . Las uniones M-S pueden ser rectificadoras o no rectificadoras . La unión metal-semiconductor rectificadora forma una barrera Schottky , dando lugar a un dispositivo conocido como diodo Schottky , mientras que la unión no rectificadora se denomina contacto óhmico . ^{[ 1 ]} (En contraste, una unión semiconductor-semiconductor rectificadora, 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. Generalmente, se busca un contacto óhmico para facilitar la conducción de carga eléctrica entre la región activa de un transistor y el circuito externo. Sin embargo, en ocasiones, resulta útil una barrera Schottky , como en los diodos Schottky , los transistores Schottky y los transistores de efecto de campo metal-semiconductor .

Que una 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, cuando Φ _B es significativamente mayor que la energía térmica kT , el semiconductor se agota cerca del metal y se comporta como una barrera Schottky . Esto suele estar entre 0,4 eV y 0,7 eV para un material como el silicio. Para alturas de barrera Schottky menores, el semiconductor no se agota y, en cambio, forma un contacto óhmico con el metal.

La altura de la barrera Schottky se define de manera diferente para 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 suele ser 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:

${\displaystyle \Phi _{\rm {B}}^{(n)}+\Phi _{\rm {B}}^{(p)}=E_{\rm {g}}}$

donde E _{g es la} banda prohibida del semiconductor .

En la práctica, la altura de la barrera Schottky no es precisamente constante a través de la interfaz, y varía sobre la superficie interfacial. ^{[ 2 ]}

Regla de Schottky-Mott : Al unir los materiales, las bandas del silicio se curvan de tal manera que la función de trabajo Φ del silicio coincide con la de la plata. Las bandas conservan su curvatura al entrar en contacto. Este modelo predice que la plata presenta una barrera Schottky muy baja frente al silicio dopado con tipo n , lo que da lugar a un excelente contacto óhmico.

Imagen que muestra el efecto de fijación del nivel de Fermi debido a los estados de brecha inducidos por el metal : Las bandas en el silicio ya comienzan curvadas debido a los estados superficiales . Se curvan de nuevo justo antes del contacto (para igualar las funciones de trabajo). Sin embargo, al entrar en contacto, la curvatura de las bandas cambia por completo, de una manera que depende de la química del enlace Ag-Si. ^{[ 3 ]}

Diagramas de bandas para modelos de formación de la unión entre plata y silicio dopado con n . ^{[ 4 ]} En la práctica, esta barrera Schottky es aproximadamente Φ _B  =  0,8  eV.

La regla de Schottky-Mott para la formación de la barrera de Schottky, que recibe su nombre de Walter H. Schottky y Nevill Mott , predice la altura de la barrera de Schottky basándose en la función de trabajo en el vacío del metal en relación con la afinidad electrónica en el vacío (o energía de ionización en el vacío ) del semiconductor:

${\displaystyle \Phi _{\rm {B}}^{(n)}\approx \Phi _{\rm {metal}}-\chi _{\rm {semi}}}$

Este modelo se deriva del experimento mental de unir los dos materiales en el vacío y guarda una estrecha relación lógica con la regla de Anderson para uniones semiconductor-semiconductor . Los distintos semiconductores respetan la regla de Schottky-Mott en diversos grados. ^{[ 5 ]}

Aunque el modelo Schottky-Mott predijo correctamente la existencia de curvatura de banda en el semiconductor, se descubrió experimentalmente que proporcionaba predicciones sumamente erróneas para la altura de la barrera Schottky. Un fenómeno conocido como "fijación del nivel de Fermi" provocó que algún punto de la banda prohibida, donde existe una densidad de estados finita , quedara bloqueado (fijado) 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 ]}

${\displaystyle \Phi _{\rm {B}}\approx {\frac {1}{2}}E_{\rm {bandgap}}}$

donde E _bandgap es el tamaño de la banda prohibida en el semiconductor.

De hecho, empíricamente, se ha comprobado que ninguno de los extremos anteriores es del todo correcto. La elección del metal sí influye, y parece existir una débil correlación entre la función de trabajo del metal y la altura de la barrera; sin embargo, la influencia de la función de trabajo es solo 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 naturalmente si existieran estados cargables en el semiconductor justo en la interfaz, con energías dentro de la banda prohibida del semiconductor. Estos estados se inducirían durante la unión química directa entre el metal y el semiconductor ( estados de banda prohibida inducidos por el metal ) o ya estarían presentes en la superficie semiconductor-vacío ( estados superficiales ). Estos estados superficiales de alta densidad serían capaces de absorber una gran cantidad de carga donada por el metal, protegiendo así al semiconductor de las características del metal. Como resultado, las bandas del semiconductor se alinearían necesariamente en una posición relativa a los estados superficiales, que a su vez están fijados al nivel de Fermi (debido a su alta densidad), todo ello sin la influencia del metal. ^{[ 4 ]}

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 liberar 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.

GW Pickard recibió una patente en 1906 sobre 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 diodos fabricados mediante la pulverización catódica de muchos metales sobre muchos semiconductores. ^{[ 10 ]} El uso del rectificador de diodo metal-semiconductor fue propuesto por Lilienfeld en 1926 en la primera de sus tres patentes de transistores como la puerta de los transistores de efecto de campo metal-semiconductor . ^{[ 11 ]} La teoría del transistor de efecto de campo que utiliza una puerta metal/semiconductor fue desarrollada por William Shockley en 1939.

Los primeros diodos metal-semiconductor en aplicaciones electrónicas aparecieron alrededor de 1900, cuando se utilizaron rectificadores de bigote de gato en receptores . ^{[ 12 ]} Estos 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 gran área apareció alrededor de 1926 y consistía en un semiconductor de óxido de cobre(I) crecido 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 metálico de tungsteno puntiagudo en contacto con una base de cristal de silicio para detectar microondas en el rango UHF . En 1942, Frederick Seitz propuso un programa durante la Segunda Guerra Mundial para fabricar silicio de alta pureza como base cristalina para el rectificador de contacto puntual, programa que fue llevado a cabo con éxito por la Estación Experimental de la empresa 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 superficial del semiconductor, conocida desde aproximadamente 1948 como barrera de Mott. Walter H. Schottky y Spenke extendieron la teoría de Mott al incluir un ion donador cuya densidad es espacialmente constante a través de la capa superficial del semiconductor. Esto cambió el campo eléctrico constante asumido por Mott a un campo eléctrico que decae linealmente. Esta capa de carga espacial del semiconductor bajo el metal se conoce como barrera de Schottky . Davydov también propuso una teoría similar en 1939. Si bien predice la dirección correcta de rectificación, también se ha demostrado que la teoría de Mott y su extensión de Schottky-Davydov generan un mecanismo de limitación de corriente y fórmulas de corriente-voltaje erróneos en los rectificadores de diodos metal-semiconductor de silicio. La teoría correcta fue desarrollada por Hans Bethe y publicada por él en un informe del Laboratorio de Radiación del MIT con fecha del 23 de noviembre de 1942. En la teoría de Bethe, la corriente está limitada por la emisión termoiónica de electrones a través de la barrera de potencial metal-semiconductor. Por lo tanto, el nombre apropiado para el diodo metal-semiconductor debería ser diodo de 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 la electromoja , donde la gota se extiende al aumentar el voltaje. Dependiendo del tipo y la densidad de dopaje 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 "electromoja Schottky", vinculando efectivamente la electromoja con los efectos de los semiconductores. ^{[ 15 ]}

Entre 1953 y 1958, Fuller y Ditzenberger trabajaron en la difusión de impurezas en silicio. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} En 1956, Miller y Savage estudiaron la difusión de aluminio en silicio cristalino. ^{[ 20 ]}

El primer transistor de puerta de óxido de silicio fue inventado por Frosch y Derick en 1957 en Bell Labs. ^{[ 21 ]} En 1956, Richard Baker describió algunos circuitos de sujeción de diodos discretos para evitar la saturación de los transistores. ^{[ 22 ]} Los circuitos ahora se conocen como abrazaderas de Baker . Uno de esos circuitos de sujeción usaba un solo diodo de germanio para sujetar un transistor de silicio en una configuración de circuito que es la misma que la del transistor Schottky. ^{[ 22 ] : 11, 30} El circuito dependía de que el diodo de germanio tuviera una caída de voltaje directo 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 en la práctica por primera vez 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 semiconductor-metal. ^{[ 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 tecnología de deposición de películas metálicas en alto vacío , ^{[ 27 ]} y fabricaron contactos estables evaporados / pulverizados , ^{[ 28 ] [ 29 ]} publicando sus resultados en enero de 1963. ^{[ 30 ]} Su trabajo fue un avance en la investigación de uniones metal-semiconductor ^{[ 28 ]} y barreras Schottky, ya que superó la mayoría de los problemas de fabricación inherentes a los diodos de contacto puntual y permitió 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 ]}

• barrera Schottky

• Streetman, Ben G.; Banerjee, Sanjay Kumar (2016). Dispositivos electrónicos de estado sólido . Boston: Pearson. págs.  251-257. ISBN 978-1-292-06055-2. OCLC 908999844 . 

• Contenido multimedia relacionado con diagramas de bandas de unión metal-semiconductor en Wikimedia Commons.