Le contact Métal / Semiconducteur La diode Schottky 4 Présentation du composant Type de diode Symbole Diode « classique » (jonction PN) I Diode Zener I Utilisation Utilisation courante (basse fréquence) : non linéaire et linéaire U Stabilisation de tension U LED/photodiode Optoélectronique I U Diode Schottky I Utilisation en haute fréquence U Chap: IVV -2- Présentation du composant Type de diode Symbole Diode « classique » (jonction PN) I Diode Zener I Utilisation Utilisation courante (basse fréquence) : non linéaire et linéaire U Stabilisation de tension U LED/photodiode Optoélectronique I U Diode Schottky I Utilisation en haute fréquence U Chap: IV -3- Jonctions Métal-Semiconducteur (MS) Les jonctions Métal-Semiconducteur (MS) sont d'une grande importance car ils sont présents dans tous les dispositifs semiconducteur. Ils peuvent se comporter soit comme une barrière de Schottky ou comme un contact ohmique suivant la nature du métal et du semiconducteur donc des caractéristiques de l'interface La diode métal semiconducteur est constituée d’un contact établi entre un métal et un semiconducteur, en général dopé. C’est le plus vieux dispositif électronique connu, datant de la fin du 19ème siècle, les premiers redresseurs solides et les premiers postes à galène étant par exemple basés sur cette structure. La première théorie de fonctionnement, proposée par Bethe, ne remonte cependant qu’à 1938. Chap: IV -4- Structure d'une jonction métal-semiconducteur Elle est constitué de: - un métal en contact avec un morceau de semiconducteur. - un contact ohmique idéale de l'autre côté du semi-conducteur. semiconducteur métal Anode Contacte Ohmique Cathode Type-n I 0 + Chap: IV xd Va x - -5- Bandes d’énergie Metale Semiconducteur Considérons d'abord le schéma de bandes d'énergie du métal et le semiconducteur. Le niveau de Fermi du métal est dans sa bande de conduction Chap: IV -6- Affinité électronique Quelques définitions – Travail de sortie qm : c’est l’énergie qu’il faut fournir à un électron dans le métal pour l’extraire du métal. On l’appellera qm et son unité sera l’électronvolt. Il est définit comme la différence entre le niveau de vide et le niveau de Fermi dans le métal. – Affinité électronique q : l’affinité électronique qui est la différence d’énergie entre le niveau de vide et la bande de conduction BC. q E0 EC Quelques chiffres o Li: m=2,3 eV ; Na: m=2,3 eV ; Pt: m=5,3 eV ; Ni: m=4,5 eV o Si: q=4,05 eV ; Ge: q=4,13 eV ; GaAs: q=4,07 eV ; InAs: q=4,9 eV Chap: IV -7- Contact Schottky Diagramme des bandes d’énergie Métal et semiconducteur séparés: le niveau d’énergie du vide est aligné Métal Semiconducteur N E0 niveau d’énergie du vide q q q m Metal Le travail de sortie EC EFS EFM Semiconducteur L’affinité électronique q E0 EFM m l’énergie nécessaire pour prendre un électron situé au niveau de Fermi du métal et l’emmener à l’infini. Chap: IV s -8- q E0 EC EV Métal et Contact Schottky Diagramme des bandes d’énergie semiconducteur au contact ici qm qsc Métal q Semiconducteur N E 0 q m q Bn Metal sc EC EFS q( ) m q EFM Semiconducteur EV les énergies de Fermi du métal et le semiconducteur ne changent pas tout de suite. Cela donne le schéma de bande plate « flatband » La hauteur de la barrière, Bn, est défini comme la différence de potentiel entre l'énergie de Fermi du métal et la limite de bande où les porteurs majoritaires résident. Chap: IV -9- Contact Schottky Diagramme des bandes d’énergie Métal et semiconducteur non séparés Métal q Semiconducteur N E0 q q m q Bn q( ) Metal s EC EFS m EFM Semiconducteur EV Pour les matériau de type p, la hauteur de la barrière , Bp, est donné par la différence entre la limite de bande de valence et de l'énergie de Fermi dans le métal: q Chap: IV Bp Eg q( ) m -10- Barrière Schottky A l’équilibre thermodynamique, les niveaux de Fermi du métal et du semiconducteur s’alignent. Loin du contact, du coté semiconducteur, les niveaux des BV, BC et du vide conservent leur position respective par rapport à EF. Le niveau d’énergie du vide est continu au contact. Parce que les travaux de sortie respectifs sont différents, une courbure de bande apparaît essentiellement dans le semiconducteur, près de la zone de contact. Comme pour une jonction PN, la barrière est abaissée ou renforcée selon le signe de la polarité appliquée Une barrière de Schottky se réfère à un contact métalsemiconducteur ayant: - une barrière de potentiel élevée: Bn , Bp kT -une faible concentration de dopage (moins que la densité d'états dans la bande de conduction ou de bande de valence) Chap: IV la zone déplétée est très mince: typiquement 5 nm -11- Contact Schottky Diagramme des bandes d’énergie Métal et semiconducteur après contacte Métal q Semiconducteur N E0 q m q Bn q( ) Metal qVbi m EFM E Semiconducteur q s EC EFS EV Au contacte, des électrons passent du semiconducteur vers le métal ce qui donne naissance à un champ électrique de rappel du aux ions fixes dans le semiconducteur En outre, nous définissons le potentiel de diffusion, Vbi, comme la différence entre l'énergie de Fermi du métal et celle du semiconducteurs. Chap: IV -12- Evaluation théorique de métaux pour les contacts Types de contacts Ohmique: -hauteur de la barrière des électron ≤ 0. -courbe I(V) Linéaire Schottky: -hauteur de la barrière des électron> 0. - courbe I(V) exponentielle. Chap: IV -13- Barrière Schottky Au contacte, des électrons passent du semiconducteur vers le métal Champ électrique de rappel du aux ions fixes dans nSi A l'équilibre, un nombre égal d'électrons traverse l'interface dans des directions opposées. Ainsi, le courant des électrons est égale à zéro. La barrière pour les électrons pour passer du métal au semiconducteur est donnée par qbn = q(m - χs) qui est appelé Barrière Schottky de contact MS. Chap: IV -14- Diagrammes de bandes d’énergies à l’équilibre thermodynamique pour la jonction métal-semiconducteurs type-n et type-p semiconducteur type-n Bn M Vbi Bn n M Chap: IV semiconducteur type-p EC EFn q Bn Eg q M Vbi Bn n M -15- EC EFp q Barrière Schottky Nature électrique du contact MS idéal Semiconducteur type -n appauvrissement M > s EF Ec Chap: IV EF Ohmique EF Ev Ec Ev appauvrissement Ohmique M < s Semiconducteur type -p Ec EF Ev -16- Ec Ev Barrière Schottky Travail de sortie de quelque métaux et leurs hauteurs de barrières mesurées sur Ge, Si et GaAs Chap: IV Ag Al Au Cr Ni Pt W M(dans le vide) 4.3 4.25 4.8 4.5 4.5 5.3 4.6 n-Ge 0.54 0.48 0.59 p-Ge 0.5 n-Si 0.78 0.72 0.8 0.61 0.61 p-Si 0.54 0.58 0.34 0.5 0.51 n-GaAs 0.88 0.8 0.9 p-GaAs 0.63 0.49 0.48 0.3 0.42 -17- 0.9 0.67 0.45 0.84 0.8 Cas où : m > S Il y a appauvrissement du semiconducteur de type n dans la zone de contact et création d’une zone de charge d’espace de largeur W. Cette charge positive est compensée à la surface du métal par une charge négative, donc très près de la jonction métallurgique. Du fait de la très forte concentration électronique dans le métal, l’extension de la zone de charge d’espace côté métal s’effectue sur une fraction de monocouche atomique. E Métal Semiconducteur E0 q m qBn q s EC La hauteur de barrière énergétique de la diode Schottky à la jonction métallurgique est définie comme : qBn EC EF EF EV la désertion du semiconducteur et la création d’une barrière d’énergie vont limiter la conduction à travers la structure. Un effet diode peut être attendu. Chap: IV -18- Contact Schottky. Cas où : m > S Diagramme des bandes d’énergie Métal Semiconducteur N Largeur de déplétion: Eo q 2 sVbi W qN D Si m q qVbi Bn Ec EF Équilibre (VA= 0) -> EF continu, constant Ev W Chap: IV -19- Bn m Mesure de Hauteur de Barrière de potentiel pour un contact métal-Semiconducteur type n Résultats expérimentaux Variations de qB vs qm Chap: IV -20- Cas où : m < S Le niveau de Fermi se rapproche de la bande de conduction , Il est près du contact métallurgique. Il y a donc accumulation d’électrons à l’interface et le semiconducteur se comporte alors comme un matériau très dopé. Métal Semiconducteur E E0 q q s m EC EF EV L’absence de barrière de potentiel et de zone désertée ne limite pas le transport au contact et nous avons dans ce cas un contact électrique qui peut être considéré comme « ohmique ». Ceci signifie que la conduction est limitée par le volume du semiconducteur et non pas par le contact. Chap: IV -21- Cas où : m < S p-type Métal Semiconducteur N Eo Largeur de déplétion: Si Ec M EF Ev qVbi = Bp– (EF – Ev)FB Bp W Chap: IV -22- 2 sVbi W qN A Équilibre (VA= 0) -> EF continu, constant Bp = + EG - M Zone de charge d’espace La barrière de potentiel Vbi « built-in potential » correspond au potentiel interne à l’équilibre thermodynamique les électrons doivent vaincre cette barrière de potentiel pour passer de la BC du semiconducteur dans le métal. Vbi est compté positivement dans le sens métal/semiconducteur. Cidessous, Vbi est négatif. E Semiconducteur Métal q EF Equation de Poisson (dopages constants): q qVbi q(m s ) m qBn V s E0 q s 2 EC EV Chap: IV -23- E dE q ( p n ND ) dx s s Zone de charge d’espace Hypothèse : on néglige dans la zone de charge d’espace p et n devant ND. s qN D 0 x W 2V s qN D s s E dE E dE qN D dx s s ( x) qN D qN qN dx x C1 D x D W s s s s On retrouve la formule de Kingston-Neustader : E ( x) qN D s (x W ) qN DW 2 Vbi 2 s Chap: IV V ( x) qN D s x2 (Wx ) Cte 2 E Em qN D 2 s W Vbi qN D -24- s W Zone de charge d’espace En ne négligeant plus la concentration des porteurs libres dans la zone de charge d’espace, l’application de la fonction Kingston-Neustader permet d’ajouter le terme correctif : 2 s kT W Vbi qN D q Ce terme correctif peut prendre de l’importance lorsque la hauteur de barrière Vbi est relativement faible, c-à-d inférieure à 0,3V à 300K. La densité de charge par unité de surface à l’équilibre thermodynamique s’exprime par : Q qN DW 2 s qN D ( Vbi kT / q) Exp : pour Si avec ND = 1017cm-3 et Vbi = 0,5 Volt QSC ≈ 10-7 C/cm2 Le plus souvent on néglige le kT/q et la largeur de la Zone de charge d’espace est donnée par: W Chap: IV 2 s Vbi qN D -25- Diagrammes de bandes d’énergies pour la jonction métal/SC type-n et type-p en polarisation directe Quand une tension est appliquée, la hauteur de la barrière qbn reste fixe, mais la tension de diffusion change en augmentant en polarisation inverse et diminuent en polarisation directe. semiconducteur type-n semiconducteur type-p En appliquant une tension V>0 sur le métal par rapport au SC, cela diminue le champ interne et donc diminue la différence de potentiel total. Donc beaucoup d'électrons se déplaceront à travers l'interface du SC vers le métal en raison de la barrière réduit. Par conséquent, le courant électronique circule de gauche à droite. Chap: IV -26- Diagrammes de bandes d’énergies pour la jonction métal/SC type-n et type-p en polarisation inverse semiconducteur type-n semiconducteur type-p Quelques électrons traversent l'interface du métal vers le SC en raison de la barrière inchangée, mais il est devenu plus difficile aux électrons du SC de passer vers le métal. Ainsi, un faible courant d’électrons circule donc de la droite vers la gauche. Chap: IV -27- En appliquant une tension V sur le métal par rapport au SC, la concentration équivalente de porteurs traversant la structure reste faible par rapport à la concentration d’atomes dopants ionisés. Si la tension appliquée V est positive, cela revient à diminuer le champ interne et donc à diminuer la différence de potentiel total. W 2 s (Vbi V ) qN D Distribution de charge Chap: IV Distribution du champ électrique -28- Capacité C q s N D Q s V 2 Vbi V W 1 2 Vbi V 2 C q s N D pente 2 q s N D C’est une ligne droite profil de dopage constant Pente donne la concentration de dopage 2 1 ND q s d 1 / dV C2 Intersection = Vbi peut être utilisé pour trouver Bn Chap: IV Vbi -29- Courbe 1/C2 en fonction de la tension appliquée pour les diodes W-Si et W-GaAs Si ce n'est pas une ligne droite, la courbe peut être utilisé pour trouver le profil. Transport dans la jonction Equilibre Thermodynamique Chap: IV Polarisation directe J = Jsm(V) – Jms(V) Jms(V) = Jms(0) = Jsm(0) Polarisation inverse -30- Transport dans la jonction Equilibre thermique Nombre d'électrons aillant une énergie thermique suffisante pour surmonter la barrière: nth NC e qBn kT À l'équilibre thermique, le courant est le même des deux côtés: jms js m C1 NC e Chap: IV qBn kT -31- Théorie de transport dans la jonction Polarisation directe Dans une barrière Schottky, 4 différents mécanismes de transport de charges peuvent exister simultanément ou séparément et être responsables du passage du courant. On considère le cas d’un semiconducteur de type n. (1) Courant dû au transport d’électrons du semi-conducteur vers le métal au dessus de la barrière. (2) Courant dû au passage des électrons à travers la barrière par effet tunnel (3) Recombinaison dans la zone de charge d’espace (4) Recombinaison dans la région neutre. Chap: IV -32- Métal 1 qV Semiconducteur 2 3 4 EC EF EV Transport dans la jonction Polarisation directe Franchissement de la barrière par les électrons de la bande de conduction: processus le plus fréquent. Plus la hauteur de barrière sera faible, plus les électrons pourront passer. Cette barrière peut être abaissée en polarisant positivement le métal par rapport au semiconducteur. Franchissement de la barrière par effet tunnel: les électrons de la BC traversent la barrière par effet tunnel. Ce phénomène ne peut se produire que lorsque la zone de charge d’espace s’étend peu. Cela correspond au cas des dopages élevés pour le semiconducteur. Métal 1 Semiconducteur EC EF qV EV Semiconducteur Métal 2 qV Par exemple, si ND = 5. 1018cm-3, pour qΦB = 0,4eV, W ≈ 80Å, ξmax ≈ 106V/cm. Chap: IV -33- EC EF EV Transport dans la jonction Polarisation directe Processus de génération-recombinaison dans la zone de charge d’espace: un électron de la BV passe dans le métal et laisse derrière lui un trou dans le semiconducteur. Ce trou s’éloigne du métal dans la zone de charge d’espace, et se recombine avec un électron de la BC. Processus de génération-recombinaison dans le volume neutre: processus similaire au précédent, mais dans ce cas, la recombinaison se produit dans le volume neutre du semiconducteur. Semiconducteur Métal 3 EC EF qV EV Semiconducteur Métal 4 qV EC EF EV En régime de conduction direct, le processus dominant est le premier (l’effet tunnel étant négligeable). Chap: IV -34- Emission au dessus de la barrière Dans ce cas, le courant est dû au passage des porteurs au dessus de la barrière. Ce courant a été décrit par plusieurs théories dont l’application dépendra des propriétés du semi-conducteur à savoir celle de: o théorie thermoïonique o théorie de la diffusion. othéorie regroupant les deux premières. La différence entre les théories de diffusion et de l’émission thermoïonique est le comportement de quasi-niveau de Fermi des électrons dans le semi-conducteur. Chap: IV -35- Cette différence peut être récapitulée comme suit: 1- Dans le cas de l’émission thermoïonique, les électrons du semiconducteur qui traversent la barrière pour pénétrer dans le métal ne sont pas en équilibre avec ceux de ce dernier. Ce sont des électrons chaud, mobiles dans le métal qui perdent leurs énergies à la suite de collisions. Le quasi-niveau de Fermi est plat dans tout le semiconducteur et s’abaisse pour rejoindre le niveau de Fermi de métal à l’intérieur du métal. Métal Semiconducteur Théorie Thermoïonique 2- Dans le cas de la théorie de diffusion, le quasi-niveau de Fermi coïncide avec le niveau de Fermi du métal à l’interface. Chap: IV -36- EFM EC EFS qV EV Théorie De Diffusion Conduction des porteurs La théorie thermoïonique Elle se limite aux phénomènes de transport à l’interface métal/SC. Il n’y a pas de contribution à la conduction, ni du volume neutre, ni de la zone de charge d’espace. Le gradient du quasi-niveau de Fermi est négligé. Ceci implique que le quasi-niveau de Fermi dans le SC est plat. E Métal Semiconducteur qV Le franchissement de barrière est alors fondé sur la probabilité d’avoir des porteurs dont l’énergie, due à l’agitation thermique, est supérieure à la hauteur de barrière qu’ils doivent franchir et dont la composante des vitesses, normale au plan du métal, est orientée vers le métal. Cette théorie s’applique aux cas où les électrons ont une forte mobilité dans le semiconducteur Chap: IV -37- EC EFS EV Conduction des porteurs La théorie de la diffusion cette théorie suppose que les électrons migrent du SC au métal par dessus la barrière en traversant la zone appauvrie du SC, ce qui restreint le courant direct. En effet ce dernier est limité par la diffusion des porteurs à travers le champ électrique dans la zone de charge d’espace. E EF Métal Semiconducteur qV Cette théorie s’applique aux cas où les électrons ont une faible mobilité dans le SC. Dans le cas le plus général, il faut utiliser une combinaison des deux, appelée théorie mixte Chap: IV -38- EC EF EV Théorie thermoïonique La théorie de l’émission thermoïonique part des hypothèses suivantes : la hauteur de barrière d’énergie est grande devant kT, l’équilibre thermique est établi, l’existence d’un courant n’affecte pas sensiblement cet équilibre. nous pouvons supposer l’existence de deux courants indépendants, l’un injecté par le métal dans le SC, l’autre injecté par le SC dans le métal. Chap: IV -39- Théorie thermoïonique Calcul de la densité de courant injecté par le SC dans le métal : on considère que les électrons dont l’énergie est supérieure à la hauteur de barrière et dont la composante de vitesse, vx est orientée vers le métal. js m EF qBn x : direction de propagation dn: la concentration en électrons vx la composante de la vitesse suivant la direction x (normale à l’interface). qvx dn 1 2m * dn g ( E ) f ( E )dE 2 2 2 g(E) : densité d’état f(E) : probabilité d’occupation Chap: IV -40- 3/2 E EF E EC exp kT dE Théorie thermoïonique En appliquant la tension V sur le métal par rapport au semiconducteur, à l’interface : EF EC qBn qV 1 E EC m * v 2 ; 2 1 E EC v m * 2 2m * dn 2 2 h dE m * vdv Semiconducteur Métal EC qV qBn v 2 vx2 vy2 vz2 3/2 E EF exp C kT v2 vx2 vy2 vz2 avec en intégrant : Chap: IV E -41- m * v2 2 exp 4 v dv 2kT 4 v 2 dv dvx dv y dvz EC EF EV js m On a EF qBn qvx dn 1 2m * dn g ( E ) f ( E )dE 2 2 2 3 EC EF 2m * dn 2 2 exp kT h 3/2 E EF E EC exp kT dE m * v2 2 exp 4 v dv 2kT 3 js m m * vx2 EC EF 2m * 2 2 exp dvx vx exp kT vox h 2kT m * v y2 m * vz2 exp dv exp dvz 2kT y 2kT js m Chap: IV 4 qm * k 2 2 EC EF T exp 3 h kT -42- m * v02x exp 2 kT v0x est la vitesse minimale (dans la direction x) nécessaire au franchissement de la barrière. Vbi : chute de potentiel (« built in ») à V = 0. Finalement : 1 m * vox2 q(Vbi V ) 2 4 qm * k 2 2 EC EF qVbi qV js m T exp exp 3 h kT kT 4 qm * k 2 2 qBn qV T exp exp 3 h kT kT js m A T e * 2 4 q m * k avec A* h3 Chap: IV 2 qBn kT e qV kT A* est la constante de Richardson. -43- A l’équilibre thermodynamique, le courant total est nul, c.a.d. que le flux d’électrons injecté par le semiconducteur vers le métal doit être égal au flux inverse. La valeur de la densité de courant injectée par le métal est obtenue en prenant V=0. js m jms 0 jms A T e Cette valeur va rester la même sous polarisation compte tenu des hypothèses initiales. Ainsi, le courant total de la diode s’exprime par : j A*T 2 e qBn kT qV kT e 1 Expression similaire à celle obtenue pour la jonction p n Chap: IV -44- * 2 qBn kT Bilan final: js m A*T 2 e avec : qBn kT jST A*T 2 e qV qV kT kT e 1 j e 1 ST q Bn kT appelée Constante de Richardson Plus la hauteur de barrière sera importante, plus le courant inverse (ou de saturation) sera faible, plus le courant direct sera faible pour une même polarisation. Exp: A* = 120A/cm2 à 300K si nous considérons m*=me Résistance de contact k Rc * e qA T 1 Chap: IV j Rc V V 0 -45- qBn kT Densité de courant direct vs tension appliquée des diodes WSi et W-GaAs Chap: IV -46- Comparaison des caractéristiques I(V) d'une diode Schottky , d’un contact ohmique et d’une jonction pn. L'échelle de la caractéristique en polarisation inverse est compressé par rapport à l'échelle de polarisation directe Ohmic Contact Chap: IV -47- Théorie de la diffusion Dans ce cas, ce n’est plus l’interface qui est bloquante mais la zone de charge d’espace du semiconducteur. Les porteurs doivent transiter par cette zone, et la densité de courant peut s’écrire directement en fonction de la variation du pseudo niveau de Fermi dans cette zone et de la mobilité des porteurs : E dEFn jn n n dx EF Métal Semiconducteur qV EC EFn EV Il s’agit alors de déterminer le gradient de EFn. Sa variation totale correspond à qV. La concentration des électrons dans le côté semiconducteur de l'interface de M/S est donnée par : n NC e Chap: IV dEFn 1 dn dEC ( x) kT dx n dx dx EC EFn kT -48- Théorie de la diffusion La variation de EC(x) est directement liée au champ électrique dans la zone de charge d’espace. On peut calculer le courant à l’interface Métal/Sc en appelant ξs le champ à la surface du semiconducteur. dn jn n kT ( ) surf qns s dx Deux composantes de courant A l’interface, la concentration étant relativement faible, le gradient l’est aussi. Dans ce cas, la composante de dérive est considérée avec le champ électrique maximal très près de l’interface (en xm). La concentration ns s’exprime alors en fonction de nso. En rajoutant la densité de courant injectée par le métal, la densité totale de courant est alors : jn qn ns 0 s e Chap: IV -49- qV kT 1 Théorie mixte Dans ce cas, la conduction est contrôlée à la fois par l’interface et le volume; la variation du niveau de Fermi est mixte, c’est-à-dire varie dans la zone de charge d’espace et présente une discontinuité à l’interface. En prenant une vitesse de collection équivalente vc la densité de courant s’exprime par : E Semiconducteur Thermoionique J q(ns n0 )vC EF Concentration dans la région neutre Métal EC EFn qV EV Diffusion La vitesse de collection est inférieure à la vitesse thermique. Les phénomènes intervenant dans cette limitation sont la mobilité dans la Z.C.E. mais aussi la réflexion quantique, la présence d’oxyde natif d’interface, etc…. Chap: IV -50- Le contact ohmique Un contact ohmique est défini comme un contact Métal/Sc qui possède une résistance de contact négligeable vis-à-vis du matériau. Un bon contact ohmique ne doit pas perturber les performances du 1 composant. j Rc V V 0 Pour un contact Métal/Sc avec un faible dopage, le courant d’émission thermoïonique est dominant. La hauteur de barrière doit être faible pour obtenir une valeur de Rc la plus petite possible: qBn kT c * k R e qA T Pour des contacts avec des dopages plus importants, l’effet tunnel domine la conduction. Dans ces conditions la valeur de Rc dépend fortement de la concentration en dopage et varie exponentiellement avec le facteur Bn/kT. 2 s m* qBn ND c R e Chap: IV -51- Le contact ohmique La réalisation de contacts ohmiques est difficile avec des SCs à grandgap. Le métal ne possède en général pas un travail de sortie suffisant pour produire une barrière avec une hauteur suffisamment faible. Fort dopage et/ou hauteur de barrière faible pour la réalisation de contacts ohmique La technique communément utilisée pour la réalisation de contact ohmique est l’utilisation de couche de surface fortement dopée comme les jonctions métal-n+-n, métal-p+-p. Pour des contacts ohmiques sur Ge et Si, un alliage Au-Sb (avec 0,1 % de Sb) est en premier évaporé sur un SC de type n. Pour GaAs et les SCs III-V de nombreuses technologies ont été développées pour la réalisation de contacts ohmiques. Chap: IV -52- Le contact ohmique réalisation d’un contact ohmique – Il faut sur-doper le SC à l’interface – Le courant passe essentiellement par effet « tunnel ». Chap: IV -53- Comparaison entre les propriétés d’une diode pn et une diode Schottky Diode p-n Diode schottky Semiconducteur Semiconducteur p+-Si n-Si Métal n-Si qBn V > 0 V < 0 • La Barrière n'est pas fixée Chap: IV Semiconducteur V > 0 V < 0 • La Barrière du côté métal est fixée -54- Comparaison entre les propriétés d’une diode pn et une diode Schottky Diode p-n p+ Diode schottky n M n-Si dominant négligeables qBn Ir-g IR-G négligeables dominant Chap: IV -55- Comparaison entre les propriétés d’une diode pn et une diode Schottky Diode p-n Diode schottky Courant inverse due à la diffusion des porteurs minoritaires vers la couche de déplétion forte dépendance de la température Courant inverse due aux porteurs majoritaires qui surmontent la barrière Moins de dépendance de la température Courant directe due à l'injection des porteurs minoritaires à partir des côtés n et p Courant directe due à l'injection des porteurs majoritaires du semiconducteur La polarisation directe nécessaire pour rendre le dispositif conducteur (la tension de coupure) est grande. La tension de coupure est assez faible Chap: IV -56- Comparaison entre les propriétés d’une diode pn et une diode Schottky Diode p-n Diode schottky La vitesse de commutation est commandé par recombinaison des porteurs minoritaires injectés La vitesse de commutation commandés par thermalisation des électrons "chaud" injecté à travers la barrière ~ quelques picosecondes Facteur d'idéalité dans les caractéristiques I(V) ~ 1.2 à 2.0 due à la recombinaison dans la région de déplétion Essentiellement pas de recombinaison dans la région de déplétion, facteur d'idéalité ~ 1,0 Chap: IV -57- Example-1 Find barrier height, built-in voltage, maximum E-field, and the depletion layer width at equilibrium for W-Si (n-type) contact. Given: M = 4.55eV for W; (Si) = 4.01eV; Si doping = 1016 cm3 Draw the band diagram at equilibrium. Solution: Find EF – Ei Find EC – EF EF – Ei = 0.357eV EC – EF = 0.193eV B = M – = 0.54eV S ( EC EF )FB 4.203 eV Vbi = 0.347 V W = 0.21 m E(x = 0) = Emax = 3.4 104 V/cm Chap: IV -58- Example-2 A Schottky junction is formed between Au and n-type semiconductor of ND = 1016 cm-3. Area of junction = 10-3 cm2 and me*= 0.92 m0. Work function of gold is 4.77 eV and eχs = 4.05 eV. Find current at VF = 0.3 volts. Solution * m A** A* e 120 0.92 110 A/ cm 2 .K m0 J s A**T 2e em s / kT J J s eeV / kT 1 110 3002 e 4.77 4.05 /0.0259 . e 0.3/0.0259 0.897 A/(cm 2 ) I A J 103 0.897 0.897 mA Chap: IV -59- 1 Example-3 Ex. Si-Schottky diode of 100 μm diameter has (1/C2) v.s. VR slope of 3 x 1019 F-2V-1. Given r = 11.9 for Si. Find NB for this semiconductor. Solution 1 2 Vbi VR ; 2 Cj e s N B slope NB NB Cj C [F/cm 2 ] Area 2 [cm 4 F-2 V -1 ] e s N B 2 slope Area 2 e s 2 2 4 2 100 10 19 12 3 1019 1.6 10 8.85 10 11.9 2 6.414 1019 cm -3 Chap: IV -60-
