Dispositivi a semiconduttore 1

Giunzione MS Problema: Il contatto M-Sè sempre presente in un circuito. Come si comporta ?

Dispositivi a semiconduttore 2

Giunzione MS (n doping)

Walter Schottky (1886-1976)

em=workfunction metalloes=workfunction semiconduttorees=affinità elettronica semiconduttore

Evac

Dispositivi a semiconduttore 3

Dispositivi a semiconduttore 4

Giunzione MS : caso n Electron Affinity Model (EAM)

e(s-s)m>S

Dispositivi a semiconduttore 5

Al momento del contatto

Dopo il contatto

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Giunzione MS

Dispositivi a semiconduttore 7

VA=potenziale esterno applicato

Dispositivi a semiconduttore 8

Capacità

Q =qNDW = 2qNDεS(VBI −Vext −kBTe

)⎡⎣⎢

⎤⎦⎥

12

C =qNDεS

2(VBI −Vext −kBTe

)

⎡

⎣

⎢⎢⎢

⎤

⎦

⎥⎥⎥

12

=εS

W

1C2 =

2(VBI −Vext −kBTe

)

qNDεS

Spettroscopia C-V

Dispositivi a semiconduttore 9

ND =1

2qεS

1

−d

dV1

C2⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

Se ND=cost 1/C2 cresce linearmente con VIntercetta per 1/C2 a zero dà VBI

Dispositivi a semiconduttore 10

Calcolo barriera potenziale

€

1

C2=

2(Vbi −V )

eεND

€

1

C2(V = 0)=

2VbieεND

=1.8107 m4

F 2

€

Vbi = 0.4V

3212

105.2)0(2 −== m

eCV

N biD ε

eVN

NKTEE

D

CFC 25.0ln =⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=−

eVq

EE FCbibn 65.0=

−+=

€

VBn

€

Vbn =Vbi +Ec − EFq

Dispositivi a semiconduttore 11

smbn −=Vari metalli

Dispositivi a semiconduttore 12

Capacità variabile VaractorS

V

NeVC

bi

D

)(2)(

−=

ε

Dispositivi a semiconduttore 13

Caso p

m<S

Dispositivi a semiconduttore 14

Indice di superficie SS =

∂B

∂m

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Superficie

Dispositivi a semiconduttore 16

Stati di superficie

Bulk state

Surface state

Dispositivi a semiconduttore 17

Superficie

Dispositivi a semiconduttore 18

Stati di superficie e band bending

Dispositivi a semiconduttore 19

Stati di superficie e band bending

Dispositivi a semiconduttore 20

Nel realizzare la barriera conta anche la superficie

Dispositivi a semiconduttore 21

Limiti validità EAM:Effetti di superficie: Fermi-Level Pinning (III-As, III-P) .Il livello di Fermi alla superficie è ad energia fissata a prescindere dal metallo con cui realizzo il diodo

Dispositivi a semiconduttore 22

Giunzione MS : caso n con bias

Dispositivi a semiconduttore 23

Corrente di maggioritari:1) Emissione termoionica2) Tunneling: conta per barriere sottili ad alti drogaggi

Per emissione di campo si intende il tunneling di elettroni vicini al livello di Fermi

Per doping ≤1017cm-3 @300K conta emissione termoionica

Dispositivi a semiconduttore 24

Corrente termoionica

Dispositivi a semiconduttore 25

Corrente termoionica

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ −= 1expexp2

KT

qV

KT

qATJ B

Dispositivi a semiconduttore 26

Calcolo emissione termoionica

JS→ M = qvxdnEF +qφBn

∞

∫

dn=D(E) f(E)dE

vx → E =EC +12

m*v2

Hp:qφBn >> kBT

f(E) ≈exp(−E / kBT )

dn =2m*

hexp(−qV / kBT )exp(−

m*v2

2kBT)4πv2dv

4πv2dv=dvxdvydvz

vy,vz → (0,∞)

vx,min =2em* (VBI −V) → ∞

J S→ M =A*T 2 exp(−qφBn / kBT )exp(qV / kBT )

A*=Costante di Richardson120m*/m0 A/(Kcm)2

A* =4πem*kB

2

h3 =eNCv4T 2

v=3kBT

m

Dispositivi a semiconduttore 27

J=JS-M-JM-S=JS(exp(qV/kBT)-1)

JM→ S =A*T 2 exp(−qφBn / kBT ) =cost=J S

JS: corrente di saturazione, cresce con T

J =AT 2 exp −qBn

KT⎧⎨⎩

⎫⎬⎭

expqVKT

⎧⎨⎩

⎫⎬⎭−1

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

Caratteristica diodo Schottky ideale

Dispositivi a semiconduttore 28

Caratteristiche generali:•Tensione ginocchio inferiore•Maggiore corrente di perdita

Dispositivi a semiconduttore 29

Effetto Schottky:Riduzione potenziale contatto dovuto ad effetto cariche immagineEffetto trascurabile per contatti con semiconduttori con costante dielettrica ≈10

Gli elettroni nel semiconduttore “ vedono” una superficie metallica equipotenziale.Un elettrone -e nel punto x del SC_Una carica immagine +e nel punto -x Dipende dal bias

Aumento emissione termoionica

Dispositivi a semiconduttore 30

Dispositivi a semiconduttore 31

Caratteristiche generali:•Tensione ginocchio inferiore•Maggiore corrente di perdita

Dispositivi a semiconduttore 32

Dispositivi a semiconduttore 33

Cat whisker radio

Contatto meccanico metallo-semiconduttore(galena PbS): nella radio azione rettificatrice

Dispositivi a semiconduttore 34

Contatto ohmico:

Resistenza contatto “ piccola”

€

RC =∂I

∂V

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟V = 0

−1

RC =kBqA*T

exp(qΦn

kBT)

Per la corrente termoionica

Piccole barriere

Dispositivi a semiconduttore 35

Dispositivi a semiconduttore 36

Dispositivi a semiconduttore 37

Contatto Ohmico

Dispositivi a semiconduttore 38

Contatti Ohmici

0

1

=

−⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛∂∂

=V

C VI

R

OK se cresce doping: W diminuisce:tunneling

Dispositivi a semiconduttore 39

Contatti Ohmici: deposizione eutettica

Una miscela eutettica (dal greco eu = buono, facile; tettico = da fondere) è una miscela di sostanze il cui punto di fusione è più basso di quello delle singole sostanze che la compongono (da cui il nome "facile da fondere").

Nella lega per formare il contattoc’è un elemento drogante per il SC

Dispositivi a semiconduttore 40

Material Contact materials

Si Al, Al-Si, TiSi2, TiN, W, MoSi2, PtSi, CoSi2, WSi2

Ge In, AuGa, AuSb

GaAs AuGe, PdGe, Ti/Pt/Au

GaN Ti/Al/Ti/Au, Pd/Au

InSb In

ZnO InSnO2, Al

CuIn1-xGaxSe2 Mo, InSnO2

HgCdTe In

Contatti Ohmici

Dispositivi a semiconduttore 41

Con alto doping piccola regione svuotamento e tunneling

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