Contactos metal-semiconductor

Contactos metal-semiconductor Lección 02.1 Ing. Jorge Castro-Godínez EL2207 Elementos Activos Escuela de Ingeniería Electrónica Instituto Tecnológico de Costa Rica I Semestre 2014 Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 1 / 39

Contenido Contacto metal-semiconductor 1 Contacto metal-semiconductor Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 2 / 39

Contacto metal-semiconductor (1) Un trozo de metal y un trozo de material semiconductor (tipo n o p) se unen. Los semiconductores están conectados a los terminales externos por medio de contactos de este tipo. Interconexión de dispositivos dentro de los circuitos integrados. Se clasifican en contactos óhmicos y contactos Schottky dependiendo de: La diferencia entre la función de trabajo del metal y la función de trabajo del semiconductor. Presentar características como una resistencia baja o propiedades rectificantes. Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 3 / 39

Contacto metal-semiconductor (2) Diagrama de bandas de energía para metal y semiconductor separados. 1 1 Pierret Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 4 / 39

Contacto metal-semiconductor (3) Metal Semiconductor Nivel vacío Nivel vacío E F E C E C E F E Fi E V Metal separación Semiconductor N Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 5 / 39

Contacto metal-semiconductor (4) Diagrama de bandas de energía para metal y semiconductor separados. 2 2 Albella Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 6 / 39

Contacto metal-semiconductor (5) La banda de conducción en el metal es suficientemente ancha, solo se representa el nivel de Fermi del metal (E f ) m. En el semiconductor (E f ) s. Al estar separados y existir equilibrio térmico, el nivel de Femi es constante en todo el interior de cada uno de los materiales. Qué sucede cuando la separación se reduce hasta hacerse cero? Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 7 / 39

Contacto metal-semiconductor (6) Diagrama de bandas de energía para contactos metal-semiconductor. Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 8 / 39

Contacto metal-semiconductor (7) E 0 es continuo en función de E F M y E c El nivel de Fermi debe ser constante una vez alcanzado el equilibrio. Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 9 / 39

Contacto metal-semiconductor (8) Densidad de electrones n(e) es mucho más elevado en el lado del semiconductor que del metal. Difusión se da hasta que se igualan los niveles de Fermi a ambos lados Región de carga espacial, con ancho x o Carga fija de signo positivo, átomos de impurezas ionizados quedan sin compensar por la fuga de electrones hacia el otro lado. Región de agotamiento. Formación de un campo eléctrico. Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 10 / 39

Contacto metal-semiconductor (9) Diagrama de bandas de energía para contactos metal-semiconductor. Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 11 / 39

Contacto metal-semiconductor (10) Distribución de carga y variación de campo eléctrico. Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 12 / 39

Contacto metal-semiconductor (11) Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 13 / 39

Contacto metal-semiconductor (14) Curvatura de las bandas en la región de carga espacial. E g y χ permanecen constante. En el equilibrio surge ϕ b : Barrera Schottky: barrera para pasar del metal al semiconductor. ϕ i (V bi ): Potencial de contacto: barrera para pasar del semiconductor al metal. Electrones deben superar barreras de energía para pasar de un material a otro después de alcanzar el equilibrio ϕ b = ϕ m χ ϕ i = V bi = (ϕ m χ) (ϕ s χ) = ϕ m ϕ s Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 16 / 39

(1) El contacto Schottky conduce corriente en una sola dirección El semiconductor puede ser de tipo P o N Condición para el contacto Schottky: ϕ m > ϕ s para semiconductores n ϕ m < ϕ s para semiconductores p Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 17 / 39

(2) distancia Nivel vacío E F Barrera Schottky: Barrera de potencial para electrones del metal Nivel Potencial de contacto: vacío Barrera de potencial para electrones del semiconductor E C E F E Fi Metal Semiconductor N E V Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 18 / 39

(3) Con polarización inversa, el contacto Schottky bloquea el paso de corriente. Aumenta barrera de potencial para electrones del semiconductor Barrera de potencial para electrones del metal se mantiene Fluye una corriente de reversa muy pequeña, I tiende a cero I reversa = electrones del metal con energía mayor que la barrera Schottky: muy pocos electrones Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 19 / 39

(4) Semiconductor tipo n Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 20 / 39

(5) Semiconductor tipo p Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 21 / 39

(6) Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 22 / 39

(11) Eo q M E F q B q Vbi q q S E C E F E V xn w zona de agotamiento Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 27 / 39

(12) E Nivel vacío Barrera Schottky: B constante Potencial de contacto: V bi -V R Nivel vacío Sin tensión aplicada V E F Con tensión aplicada (+) E C E F qv R E Fi Corriente técnica I 0 Metal Semiconductor N E V 0V Metal Semiconductor V R + - 1V Aumenta barrera de potencial para electrones del semiconductor Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 28 / 39

(13) E Disminuye barrera de potencial para electrones del semiconductor V E F B constante E C E F E Fi qv F Metal + - Metal Corriente técnica Corriente real 0V Semiconductor -1V Semiconductor N E V Con polarización directa, el contacto Schottky permite el paso de corriente Polarización directa disminuye el potencial de contacto más electrones con energía suficiente para fluir del semiconductor al metal Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 29 / 39

(14) = contacto rectificante Polarización inversa: bloquea flujo de corriente Polarización directa: permite flujo de corriente permite el paso de corriente en un sentido y la bloquea en el otro sentido Aplicación: diodo Schottky Diodo para alta frecuencia Bajo potencial de contacto I D I s I s 0 ( e Metal V D / V t I D 1) Semiconductor N 0.3V V D Ánodo Cátodo Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 30 / 39

(1) El contacto Óhmico conduce corriente en ambas direcciones. El semiconductor puede ser de tipo P o N Condición para el contacto Óhmico: ϕ m < ϕ s para semiconductores n ϕ m > ϕ s para semiconductores p Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 31 / 39

(4) distancia Nivel vacío Muy pequeña barrera de potencial para electrones del metal No barrera de potencial para electrones del semiconductor Nivel vacío E F E C E C E F E Fi E V Metal Semiconductor N Flujo de electrones es posible en ambas direcciones Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 35 / 39

(5) No hay barrera para flujo de electrones del semiconductor al metal Muy pequeña barrera para flujo de electrones metal al semiconductor Flujo de electrones E C Flujo de electrones E Fm E Fm E i E C E V E i E V 0V Metal Semiconductor -1V 0V Metal Semiconductor 1V + - - + Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 36 / 39

(5) I I V Corriente de reversa 0 V Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 37 / 39

Ejercicio Contacto metal-semiconductor Un contacto ideal metal-semiconductor está hecho de un metal que posee ϕ M = 4, 75 ev y un semiconductor que tiene χ = 4, 00 ev con n i = 1 10 10 cm 3, N D = 1 10 16 cm 3, y E G = 1, 12 ev; kt = 0, 025 ev 1 Calcule la barrera para los electrones en el metal. 2 Calcule V bi, la barrera de los electrones en el semiconductor. 3 Bosqueje el diagrama de bandas de energía en equilibrio térmico. Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 38 / 39

Referencias Bibliográficas I J. M. Albella et al. Fundamentos de microelectrónica, nanoelectrónica y fotónica. Pearson, 1era edición, 2005. R. Pierret. Semiconductor Device Fundamentals Adisson-Wesley, 1996. S.M. Sze. K. Ng. Physics of Semiconductors Devices. Wiley, 3ra edición, 2007. Jorge Castro-Godínez Contactos metal - semiconductores 39 / 39