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Contacto metal-semiconductor
Contactos metal-semiconductor Lecci´ on 02.1 Ing. Jorge Castro-God´ınez EL2207 Elementos Activos Escuela de Ingenier´ıa Electr´ onica Instituto Tecnol´ ogico de Costa Rica
Un trozo de metal y un trozo de material semiconductor (tipo n o p) se unen. Los semiconductores est´an conectados a los terminales externos por medio de contactos de este tipo. Interconexi´on de dispositivos dentro de los circuitos integrados. Se clasifican en contactos ´ ohmicos y contactos Schottky dependiendo de: La diferencia entre la funci´ on de trabajo del metal y la funci´on de trabajo del semiconductor. Presentar caracter´ısticas como una resistencia baja o propiedades rectificantes.
Jorge Castro-God´ınez
Contactos metal - semiconductores
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Contacto metal-semiconductor
Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto metal-semiconductor
(2)
Diagrama de bandas de energ´ıa para metal y semiconductor separados.1
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Pierret Jorge Castro-God´ınez
Contactos metal - semiconductores
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Contacto metal-semiconductor
Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto metal-semiconductor
Metal
(3)
Semiconductor
Nivel vacío
Nivel vacío EC EF
EF
EFi
EC
EV Metal
Semiconductor N separación
Jorge Castro-God´ınez
Contactos metal - semiconductores
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Contacto metal-semiconductor
Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto metal-semiconductor
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Diagrama de bandas de energ´ıa para metal y semiconductor separados.2 2
Albella Jorge Castro-God´ınez
Contactos metal - semiconductores
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Contacto metal-semiconductor
Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto metal-semiconductor
(5)
La banda de conducci´ on en el metal es suficientemente ancha, solo se representa el nivel de Fermi del metal (Ef )m . En el semiconductor (Ef )s . Al estar separados y existir equilibrio t´ermico, el nivel de Femi es constante en todo el interior de cada uno de los materiales. ¿Qu´e sucede cuando la separaci´ on se reduce hasta hacerse cero?
Jorge Castro-God´ınez
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto metal-semiconductor
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Diagrama de bandas de energ´ıa para contactos metal-semiconductor.
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
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E0 es continuo en funci´ on de EF M y Ec El nivel de Fermi debe ser constante una vez alcanzado el equilibrio.
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto metal-semiconductor
(8)
Densidad de electrones n(E) es mucho m´as elevado en el lado del semiconductor que del metal. Difusi´on se da hasta que se igualan los niveles de Fermi a ambos lados Regi´on de carga espacial, con ancho xo Carga fija de signo positivo, ´atomos de impurezas ionizados quedan sin compensar por la fuga de electrones hacia el otro lado. Regi´on de agotamiento. Formaci´on de un campo el´ectrico.
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto metal-semiconductor
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Diagrama de bandas de energ´ıa para contactos metal-semiconductor. Jorge Castro-God´ınez
Contactos metal - semiconductores
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
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Distribuci´on de carga y variaci´ on de campo el´ectrico.
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto metal-semiconductor
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto metal-semiconductor
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto metal-semiconductor
(14)
Curvatura de las bandas en la regi´ on de carga espacial. Eg y χ permanecen constante. En el equilibrio surge ϕb : Barrera Schottky: barrera para pasar del metal al semiconductor. ϕi (Vbi ): Potencial de contacto: barrera para pasar del semiconductor al metal.
Electrones deben superar barreras de energ´ıa para pasar de un material a otro despu´es de alcanzar el equilibrio ϕb = ϕm − χ ϕi = Vbi = (ϕm − χ) − (ϕs − χ) = ϕm − ϕs Jorge Castro-God´ınez
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto Schottky
(1)
El contacto Schottky conduce corriente en una sola direcci´on El semiconductor puede ser de tipo P o N Condici´on para el contacto Schottky: ϕm > ϕs para semiconductores n ϕm < ϕs para semiconductores p
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto Schottky
(2) distancia
Nivel vacío
Nivel vacío Barrera de potencial para electrones del semiconductor
Potencial de contacto: Barrera Schottky: Barrera de potencial para electrones del metal
EC
EF
EF EFi EV Metal
Semiconductor N Jorge Castro-God´ınez
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto Schottky
(3)
Con polarizaci´on 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 peque˜ na, I tiende a cero Ireversa = electrones del metal con energ´ıa mayor que la barrera Schottky: muy pocos electrones
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto Schottky
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Semiconductor tipo n Jorge Castro-God´ınez
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto Schottky
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Semiconductor tipo p Jorge Castro-God´ınez
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto Schottky
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto Schottky
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto Schottky
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Contactos metal - semiconductores
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto Schottky
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto Schottky
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto Schottky
(11)
Eo
q fM
qc q fB
q Vbi
EF
q fS
EC EF
EV
xn @ w zona de agotamiento
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto Schottky Potencial de contacto:
Barrera Schottky: fB » constante
Nivel vacío
E
(12)
Vbi-VR Nivel vacío Sin tensión aplicada
V
Con tensión aplicada (+)
EF
EC EF
qVR
EFi
Metal Semiconductor N
EV
Corriente técnica I → 0 Metal
Semiconductor
1V
Aumenta barrera de potencial para electrones del semiconductor
+
-
0V
VR
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto Schottky
(13) Disminuye barrera de potencial para electrones del semiconductor
E
fB » constante
EF V
EC EF EFi
qVF
EV
Semiconductor N
Metal
• Con polarización directa, el contacto Corriente técnica Corriente real Metal
Semiconductor
-1V
+-
0V
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Schottky permite el paso de corriente – Polarización directa disminuye el potencial de contacto – más electrones con energía suficiente para fluir del semiconductor al metal
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Contacto Schottky
(14)
• Contacto Schottky = 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
ID
Is » 0
0.3V
ID = Is (e(VD / Vt ) - 1)
– Diodo para alta frecuencia – Bajo potencial de contacto Metal
Semiconductor N
Cátodo
Ánodo Jorge Castro-God´ınez
VD
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
´ Contacto Ohmico
(1)
´ El contacto Ohmico conduce corriente en ambas direcciones. El semiconductor puede ser de tipo P o N ´ Condici´on para el contacto Ohmico: ϕm < ϕs para semiconductores n ϕm > ϕs para semiconductores p
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
´ Contacto Ohmico
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
´ Contacto Ohmico
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
´ Contacto Ohmico
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
´ Contacto Ohmico
(4) distancia Nivel vacío
Nivel vacío Muy pequeña barrera de potencial para electrones del metal
No barrera de potencial para electrones del semiconductor
EF
EC
EC
EF EFi
EV Metal Semiconductor N →Flujo de electrones es posible en ambas direcciones
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
´ Contacto Ohmico
(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
Flujo de electrones
EC EFm
EFm
Ei
EC
EV
Ei EV
Semiconductor
-1V
Jorge Castro-God´ınez
0V
Metal
Semiconductor
1V
+
Metal
+-
0V
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
´ Contacto Ohmico
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I
I
V
Contacto Óhmico
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V Corriente de reversa ≈ 0
Contacto Schottky
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Ejercicio
Un contacto ideal metal-semiconductor est´a hecho de un metal que posee ϕM = 4, 75 eV y un semiconductor que tiene χ = 4, 00 eV con ni = 1 × 1010 cm−3 , ND = 1 × 1016 cm−3 , y EG = 1, 12 eV; kT = 0, 025 eV 1
Calcule la barrera para los electrones en el metal.
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Calcule Vbi , la barrera de los electrones en el semiconductor.
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Bosqueje el diagrama de bandas de energ´ıa en equilibrio t´ermico.
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Contacto Schottky ´ Contacto Ohmico
Referencias Bibliogr´aficas I
J. M. Albella et al. Fundamentos de microelectr´ onica, nanoelectr´ onica y fot´onica. Pearson, 1era edici´ on, 2005. R. Pierret. Semiconductor Device Fundamentals Adisson-Wesley, 1996. S.M. Sze. K. Ng. Physics of Semiconductors Devices. Wiley, 3ra edici´on, 2007.