وصلة المعدن-شبه الموصل

في فيزياء الحالة الصلبة ، تُعرف وصلة المعدن-شبه الموصل ( M-S ) بأنها نوع من الوصلات الكهربائية التي يتلامس فيها معدن مع مادة شبه موصلة . وهي أقدم أنواع أجهزة أشباه الموصلات العملية . يمكن أن تكون وصلات M-S إما مقومة أو غير مقومة . تُشكل وصلة المعدن-شبه الموصل المقومة حاجز شوتكي ، مما يُنتج جهازًا يُعرف باسم ثنائي شوتكي ، بينما تُسمى الوصلة غير المقومة بالوصلة الأومية . ^{[ 1 ]} (في المقابل، تُعرف وصلة شبه الموصل-شبه الموصل المقومة، وهي أكثر أجهزة أشباه الموصلات شيوعًا اليوم، باسم وصلة p-n ).

تُعدّ وصلات المعدن-شبه الموصل أساسيةً لعمل جميع أجهزة أشباه الموصلات. عادةً ما يُفضّل وجود وصلة أومية لتسهيل توصيل الشحنة الكهربائية بين المنطقة الفعّالة للترانزستور والدوائر الخارجية. مع ذلك، قد يكون حاجز شوتكي مفيدًا في بعض الأحيان، كما هو الحال في ثنائيات شوتكي ، وترانزستورات شوتكي ، وترانزستورات تأثير المجال المعدني-شبه الموصل .

يعتمد تحديد ما إذا كانت وصلة معدن-شبه موصل عبارة عن وصلة أومية أو حاجز شوتكي على ارتفاع حاجز شوتكي، ΦB _، للوصلة. فعندما يكون ارتفاع حاجز شوتكي كبيرًا بما يكفي، أي عندما يكون _ΦB أعلى بكثير من الطاقة الحرارية kT ، يُستنفد شبه الموصل بالقرب من المعدن ويتصرف كحاجز شوتكي . ويتراوح هذا الارتفاع عادةً بين 0.4 و0.7 إلكترون فولت لمادة مثل السيليكون. أما عند ارتفاعات حاجز شوتكي المنخفضة، فلا يُستنفد شبه الموصل، بل يُشكّل وصلة أومية مع المعدن.

يُعرَّف ارتفاع حاجز شوتكي بشكل مختلف لأشباه الموصلات من النوع n والنوع p (حيث يُقاس من حافة نطاق التوصيل وحافة نطاق التكافؤ، على التوالي). عادةً ما يكون اصطفاف نطاقات أشباه الموصلات بالقرب من الوصلة مستقلاً عن مستوى تطعيم شبه الموصل، لذا فإن ارتفاع حاجز شوتكي للنوع n والنوع p يرتبطان ببعضهما البعض بشكل مثالي بالعلاقة التالية:

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

حيث E _{g هي} فجوة النطاق لأشباه الموصلات .

عملياً، لا يكون ارتفاع حاجز شوتكي ثابتاً تماماً عبر السطح البيني، بل يتغير على امتداد هذا السطح. ^{[ 2 ]}

قاعدة شوتكي-موت : عند تقريب المواد من بعضها، تنحني نطاقات الطاقة في السيليكون بحيث تتطابق دالة شغل السيليكون (Φ) مع دالة شغل الفضة. وتحافظ النطاقات على انحنائها عند التلامس. يتنبأ هذا النموذج بأن الفضة تمتلك حاجز شوتكي منخفضًا جدًا للسيليكون المُطعّم بالنوع n ، مما يُؤدي إلى اتصال أومي ممتاز.

صورة توضح تأثير تثبيت مستوى فيرمي الناتج عن حالات الفجوة المستحثة بالمعادن : تبدأ نطاقات الطاقة في السيليكون منحنية بسبب حالات السطح . ثم تنحني مرة أخرى قبل التلامس مباشرةً (لمطابقة دوال الشغل). ولكن عند التلامس، يتغير انحناء النطاقات تمامًا، بطريقة تعتمد على التركيب الكيميائي للرابطة بين الفضة والسيليكون. ^{[ 3 ]}

مخططات نطاقات الطاقة لنماذج تكوين الوصلة بين الفضة والسيليكون المطعّم بالنوع n . ^{[ 4 ]} عمليًا، يبلغ حاجز شوتكي هذا تقريبًا ΦB ₌  0.8  إلكترون  فولت.

تتنبأ قاعدة شوتكي-موت لتكوين حاجز شوتكي، والتي سميت على اسم والتر إتش. شوتكي ونيفيل موت ، بارتفاع حاجز شوتكي بناءً على دالة شغل الفراغ للمعدن بالنسبة إلى ألفة الإلكترون في الفراغ (أو طاقة تأين الفراغ ) لأشباه الموصلات:

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

يستند هذا النموذج إلى تجربة فكرية تتمثل في جمع المادتين معًا في الفراغ، ويرتبط منطقيًا ارتباطًا وثيقًا بقاعدة أندرسون لوصلات أشباه الموصلات . وتختلف أشباه الموصلات المختلفة في مدى امتثالها لقاعدة شوتكي-موت. ^{[ 5 ]}

على الرغم من أن نموذج شوتكي-موت تنبأ بشكل صحيح بوجود انحناء نطاق الطاقة في أشباه الموصلات، فقد تبين تجريبياً أنه يُعطي تنبؤات خاطئة بشكل كبير لارتفاع حاجز شوتكي. تُعرف هذه الظاهرة باسم "تثبيت مستوى فيرمي"، حيث تُثبّت نقطة معينة من فجوة الطاقة، التي توجد عندها كثافة حالات محدودة ، عند مستوى فيرمي. هذا يجعل ارتفاع حاجز شوتكي غير حساس تقريباً لدالة شغل المعدن: ^{[ 5 ]}

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

حيث يمثل E _bandgap حجم فجوة النطاق في أشباه الموصلات.

في الواقع، أظهرت التجارب أن كلا من القيمتين المتطرفتين المذكورتين أعلاه ليستا دقيقتين تمامًا. صحيح أن اختيار المعدن يؤثر، ويبدو أن هناك ارتباطًا ضعيفًا بين دالة شغل المعدن وارتفاع الحاجز، إلا أن تأثير دالة الشغل لا يمثل سوى جزء ضئيل مما تنبأت به قاعدة شوتكي-موت. ^{[ 6 ] : 143}

لاحظ جون باردين في عام 1947 أن ظاهرة تثبيت مستوى فيرمي ستنشأ بشكل طبيعي إذا وُجدت حالات قابلة للشحن في أشباه الموصلات عند السطح البيني مباشرةً، بطاقات تقع ضمن فجوة الطاقة. إما أن تُستحث هذه الحالات أثناء الترابط الكيميائي المباشر بين المعدن وشبه الموصل ( حالات فجوة الطاقة المستحثة بالمعدن )، أو تكون موجودة مسبقًا على سطح شبه الموصل-الفراغ ( حالات السطح ). تستطيع حالات السطح عالية الكثافة هذه امتصاص كمية كبيرة من الشحنة الممنوحة من المعدن، مما يحجب شبه الموصل فعليًا عن تفاصيل المعدن. ونتيجةً لذلك، ستصطف نطاقات شبه الموصل بالضرورة في موقع بالنسبة لحالات السطح، والتي بدورها تُثبّت عند مستوى فيرمي (بسبب كثافتها العالية)، كل ذلك دون أي تأثير من المعدن. ^{[ 4 ]}

يُعدّ تأثير تثبيت مستوى فيرمي قويًا في العديد من أشباه الموصلات ذات الأهمية التجارية (السيليكون، الجرمانيوم، زرنيخيد الغاليوم)، ^{[ 5 ]} وبالتالي قد يُشكّل عائقًا أمام تصميم أجهزة أشباه الموصلات. على سبيل المثال، تُشكّل جميع المعادن تقريبًا حاجز شوتكي كبيرًا للجرمانيوم من النوع n ، ووصلة أومية للجرمانيوم من النوع p ، نظرًا لأن حافة نطاق التكافؤ مُثبّتة بقوة عند مستوى فيرمي للمعدن. ^{[ 7 ]} يتطلب حلّ هذه المشكلة خطوات معالجة إضافية، مثل إضافة طبقة عازلة وسيطة لفكّ تثبيت النطاقات. (في حالة الجرمانيوم، استُخدم نتريد الجرمانيوم ^{[ 8 ]} ).

اكتشف فرديناند براون خاصية التقويم في وصلات المعدن-شبه الموصل عام 1874 باستخدام معدن الزئبق الملامس لأشباه موصلات كبريتيد النحاس وكبريتيد الحديد . ^{[ 9 ]} تقدم السير جاغاديش تشاندرا بوس بطلب للحصول على براءة اختراع أمريكية لثنائي معدني-شبه موصل عام 1901، وحصل على هذه البراءة عام 1904.

حصل جي دبليو بيكارد على براءة اختراع عام 1906 لمقوم ذي نقطة تلامس باستخدام السيليكون . وفي عام 1907، نشر جورج دبليو بيرس بحثًا في مجلة "فيزيكال ريفيو" يُظهر خصائص تقويم الثنائيات المصنوعة عن طريق رشّ العديد من المعادن على العديد من أشباه الموصلات. ^{[ 10 ]} اقترح ليليانفيلد استخدام مقوم ثنائي المعدن-شبه الموصل عام 1926 في أول براءات اختراعه الثلاث للترانزستورات كبوابة لترانزستورات تأثير المجال المعدنية-شبه الموصلة . ^{[ 11 ]} طوّر ويليام شوكلي نظرية ترانزستور تأثير المجال باستخدام بوابة معدنية/شبه موصلة عام 1939.

ظهرت أولى الثنائيات المعدنية شبه الموصلة في التطبيقات الإلكترونية حوالي عام 1900، عندما استُخدمت مقومات "شعيرات القط" في أجهزة الاستقبال . ^{[ 12 ]} كانت هذه المقومات تتكون من سلك تنجستن مدبب (على شكل شعيرة قط) تُضغط طرفه على سطح بلورة غالينا (كبريتيد الرصاص). ظهر أول مقوم ذو مساحة كبيرة حوالي عام 1926، وكان يتكون من شبه موصل أكسيد النحاس الأحادي مُنمّى حراريًا على ركيزة نحاسية . لاحقًا، تم تبخير أغشية السيلينيوم على ركائز معدنية كبيرة لتشكيل ثنائيات التقويم. استُخدمت مقومات السيلينيوم هذه (ولا تزال تُستخدم) لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر في تطبيقات الطاقة الكهربائية. خلال الفترة 1925-1940، صُنعت في المختبرات ثنائيات تتكون من سلك معدني مدبب من التنجستن متصل بقاعدة من بلورة السيليكون ، وذلك للكشف عن الموجات الميكروية في نطاق الترددات العالية جدًا (UHF) . اقترح فريدريك سيتز في عام 1942 برنامجًا للحرب العالمية الثانية لتصنيع السيليكون عالي النقاء كقاعدة بلورية لمقوم نقطة الاتصال، وقد نفذته بنجاح المحطة التجريبية لشركة إي. آي. دو بونت دي نيمور .

قدم نيفيل موت أول نظرية تنبأت بالاتجاه الصحيح لتقويم وصلة المعدن-شبه الموصل عام 1939. وقد وجد حلاً لكل من تيارات الانتشار والانجراف لحاملات الشحنة الرئيسية عبر طبقة الشحنة الفضائية السطحية لشبه الموصل ، والتي عُرفت منذ حوالي عام 1948 باسم حاجز موت. قام والتر إتش. شوتكي وسبينك بتوسيع نظرية موت بإضافة أيون مانح ذي كثافة ثابتة مكانيًا عبر طبقة سطح شبه الموصل. وقد غيّر هذا المجال الكهربائي الثابت الذي افترضه موت إلى مجال كهربائي متناقص خطيًا. تُعرف طبقة الشحنة الفضائية لشبه الموصل هذه، الموجودة أسفل المعدن، باسم حاجز شوتكي . اقترح دافيدوف نظرية مشابهة عام 1939. ورغم أنها تُحدد اتجاه التقويم الصحيح، فقد ثبت أيضًا أن نظرية موت وامتدادها شوتكي-دافيدوف تُعطيان آلية خاطئة لتحديد التيار وصيغًا خاطئة للتيار-الجهد في مقومات ثنائيات السيليكون المعدنية/شبه الموصلة. وقد طوّر هانز بيته النظرية الصحيحة ونشرها في تقرير لمختبر الإشعاع بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بتاريخ 23 نوفمبر 1942. في نظرية بيته، يُحدَّد التيار بانبعاث الإلكترونات الحراري عبر حاجز الجهد بين المعدن وشبه الموصل . لذا، ينبغي تسمية ثنائي المعدن-شبه الموصل بثنائي بيته، بدلًا من ثنائي شوتكي ، لأن نظرية شوتكي لا تتنبأ بخصائص ثنائي المعدن-شبه الموصل الحديثة بدقة. ^{[ 13 ]}

إذا تم تشكيل وصلة بين معدن وشبه موصل بوضع قطرة من الزئبق ، كما فعل براون ، على شبه موصل، كالسيليكون مثلاً ، لتكوين حاجز شوتكي في دائرة ثنائية شوتكي ، يُمكن ملاحظة ظاهرة التبلل الكهربائي ، حيث تنتشر القطرة مع ازدياد الجهد. ويعتمد انتشار القطرة، تبعاً لنوع وكثافة التطعيم في شبه الموصل، على مقدار وإشارة الجهد المُطبق على قطرة الزئبق. ^{[ 14 ]} وقد أُطلق على هذه الظاهرة اسم "التبلل الكهربائي لشوتكي"، ما يربط فعلياً بين التبلل الكهربائي وتأثيرات أشباه الموصلات. ^{[ 15 ]}

بين عامي 1953 و1958، أجرى فولر وديتزنبرغر أبحاثًا حول انتشار الشوائب في السيليكون. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} وفي عام 1956، درس ميلر وسافاج انتشار الألومنيوم في السيليكون البلوري. ^{[ 20 ]}

اخترع فروتش وديريك أول ترانزستور ذي بوابة أكسيد السيليكون في عام 1957 في مختبرات بيل. ^{[ 21 ]} وفي عام 1956، وصف ريتشارد بيكر بعض دوائر تثبيت الثنائيات المنفصلة لمنع الترانزستورات من التشبع. ^{[ 22 ]} تُعرف هذه الدوائر الآن باسم دوائر تثبيت بيكر . استخدمت إحدى هذه الدوائر ثنائي جرمانيوم واحد لتثبيت ترانزستور سيليكون في تكوين دائرة مماثل لترانزستور شوتكي. ^{[ 22 ] : 11، 30} اعتمدت الدائرة على انخفاض جهد الانحياز الأمامي لثنائي الجرمانيوم مقارنةً بثنائي السيليكون.

كان يُنظر إلى ثنائي شوتكي، المعروف أيضًا باسم ثنائي حاجز شوتكي، نظريًا لسنوات، ولكن أول تطبيق عملي له كان نتيجة عمل أتالا وكاهنغ خلال الفترة 1960-1961. [ 23 ^{] [ 24 ] نشرا نتائجهما} في عام 1962 وأطلقا على جهازهما اسم "بنية ثلاثي الإلكترون الساخن" ذات باعث شبه موصل-معدني. ^{[ 25 ]} وكان من أوائل الترانزستورات ذات القاعدة المعدنية. ^{[ 26 ]} واصل أتالا أبحاثه حول ثنائيات شوتكي مع روبرت ج. آرتشر في شركة إتش بي أسوشيتس . قاموا بتطوير تقنية ترسيب الأغشية المعدنية في فراغ عالٍ، ^{[ 27 ]} وصنعوا وصلات مستقرة بالتبخير / الرش ، ^{[ 28 ] [ 29 ]} ونشروا نتائجهم في يناير 1963. ^{[ 30 ]} شكّل عملهم إنجازًا هامًا في مجال وصلات المعدن-أشباه الموصلات ^{[ 28 ]} وأبحاث حاجز شوتكي، حيث تغلب على معظم مشاكل التصنيع المتأصلة في ثنائيات التلامس النقطي، ومكّن من بناء ثنائيات شوتكي عملية. ^{[ 27 ]}

في عام 1967، حصل روبرت كيروين ودونالد كلاين وجون ساراس في مختبرات بيل على براءة اختراع لطريقة استبدال بوابة الألومنيوم بطبقة متعددة البلورات من السيليكون. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

• حاجز شوتكي

• ستريتمان، بن جي؛ بانيرجي، سانجاي كومار (2016). الأجهزة الإلكترونية ذات الحالة الصلبة . بوسطن: بيرسون. ص  251-257. ISBN 978-1-292-06055-2. OCLC 908999844 . 

• الوسائط المتعلقة بمخططات نطاقات وصلة المعدن-شبه الموصل على ويكيميديا ​​كومنز