حاجز شوتكي

حاجز شوتكي ، نسبةً إلى والتر إتش. شوتكي ، هو حاجز طاقة كامنة للإلكترونات يتكون عند وصلة بين معدن وشبه موصل . يتميز حاجز شوتكي بخصائص تقويمية ، مما يجعله مناسبًا للاستخدام كصمام ثنائي . من أهم خصائص حاجز شوتكي ارتفاع حاجز شوتكي، ويرمز له بـ ΦB ₍ انظر الشكل). تعتمد قيمة ΦB _على تركيبة المعدن وشبه الموصل. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

لا تشكل جميع وصلات المعدن وأشباه الموصلات حاجز شوتكي مقوم؛ وتسمى وصلة المعدن وأشباه الموصلات التي توصل التيار في كلا الاتجاهين دون تقويم، ربما بسبب انخفاض حاجز شوتكي الخاص بها، بالوصلة الأومية .

عند وضع معدن في اتصال مباشر مع شبه موصل، قد يتشكل ما يُسمى حاجز شوتكي، مما يؤدي إلى سلوك تقويمي في التوصيل الكهربائي. يحدث هذا سواءً كان شبه الموصل من النوع السالب (n) وكانت دالة شغله أصغر من دالة شغل المعدن، أو كان شبه الموصل من النوع الموجب (p) وكانت العلاقة بين دالتي الشغل معاكسة. ^{[ 3 ]}

في أساس وصف تكوين حاجز شوتكي من خلال شكلية مخطط النطاق ، هناك ثلاثة افتراضات رئيسية: ^{[ 4 ]}

1. يجب أن يكون التلامس بين المعدن وأشباه الموصلات وثيقًا وبدون وجود أي طبقة مادية أخرى (مثل الأكسيد).
2. لم يتم أخذ الانتشار المتبادل بين المعدن وأشباه الموصلات في الاعتبار.
3. لا توجد شوائب عند السطح الفاصل بين المادتين.

كتقريب أولي، تتنبأ قاعدة شوتكي-موت بأن الحاجز بين المعدن وشبه الموصل يتناسب طرديًا مع الفرق بين دالة الشغل بين المعدن والفراغ والألفة الإلكترونية بين شبه الموصل والفراغ . بالنسبة لمعدن معزول، فإن دالة الشغل${\displaystyle \Phi _{M}}$يُعرَّف بأنه الفرق بين طاقة الفراغ الخاصة به${\displaystyle E_{0}}$(أي الحد الأدنى من الطاقة التي يجب أن يمتلكها الإلكترون ليتحرر تمامًا من المادة) وطاقة فيرمي${\displaystyle E_{F}}$وهي خاصية ثابتة للمعدن المحدد:

$${\displaystyle \Phi _{M}=E_{0}-E_{F}}$$

من ناحية أخرى، تُعرَّف دالة الشغل لأشباه الموصلات على النحو التالي:

$${\displaystyle \Phi _{S}=\chi +(E_{C}-E_{F})}$$

أين${\displaystyle \chi }$هي الألفة الإلكترونية (أي الفرق بين طاقة الفراغ وطاقة القاع)${\displaystyle E_{C}}$من نطاق التوصيل ). من المفيد وصف دالة الشغل لأشباه الموصلات من حيث ألفة الإلكترون الخاصة بها لأن هذه الأخيرة هي خاصية أساسية ثابتة لأشباه الموصلات، بينما يعتمد الفرق بين نطاق التوصيل وطاقة فيرمي على التطعيم .

عندما تتلامس مادتان معزولتان تلامسًا وثيقًا، يؤدي تساوي مستويات فيرمي إلى انتقال الشحنة من مادة إلى أخرى، وذلك تبعًا لقيم دوال الشغل. تتجمع الشحنة عند السطح الفاصل بين المادتين، مما يؤدي إلى تكوين حاجز طاقة. بالنسبة للإلكترونات، يكون ارتفاع الحاجز${\displaystyle \Phi _{B_{n}}}$يمكن حسابها بسهولة على أنها الفرق بين دالة شغل المعدن والألفة الإلكترونية لأشباه الموصلات:

$${\displaystyle \Phi _{B_{n}}=\Phi _{M}-\chi }$$

بينما يساوي ارتفاع الحاجز للثقوب الفرق بين فجوة الطاقة لأشباه الموصلات وحاجز الطاقة للإلكترونات:

$${\displaystyle \Phi _{B_{p}}=E_{\text{gap}}-\Phi _{B_{n}}}$$

في الواقع، قد تؤدي حالات السطح المشحونة إلى تثبيت مستوى فيرمي عند قيمة طاقة معينة بغض النظر عن قيم دالة الشغل، مما يؤثر على ارتفاع الحاجز لكلا حاملي الشحنة. ويعود ذلك إلى أن التفاعل الكيميائي لبلورة أشباه الموصلات مع المعدن يُنشئ حالات إلكترونية ضمن فجوة نطاقها . وتميل طبيعة هذه الحالات الناتجة عن المعدن وشغلها بالإلكترونات إلى تثبيت مركز فجوة النطاق عند مستوى فيرمي، وهو تأثير يُعرف بتثبيت مستوى فيرمي . وبالتالي، غالبًا ما تُظهر ارتفاعات حواجز شوتكي في وصلات المعدن-أشباه الموصلات اعتمادًا ضئيلًا على قيمة دالة شغل شبه الموصل أو المعدن، على عكس قاعدة شوتكي-موت. ^{[ 5 ]} تُظهر أشباه الموصلات المختلفة هذا التثبيت لمستوى فيرمي بدرجات متفاوتة، ولكن من تبعات ذلك تقنيًا صعوبة تكوين وصلات أومية في أشباه موصلات مهمة مثل السيليكون وأرسينيد الغاليوم . وتُظهر الوصلات غير الأومية مقاومة طفيلية لتدفق التيار، مما يستهلك الطاقة ويُقلل من أداء الجهاز.

في حاجز شوتكي المقوم، يكون الحاجز مرتفعًا بما يكفي لتكوين منطقة استنزاف في أشباه الموصلات، بالقرب من السطح البيني. وهذا ما يُكسب الحاجز مقاومة عالية عند تطبيق انحيازات جهد صغيرة عليه. أما عند تطبيق انحياز جهد كبير، فإن التيار الكهربائي المتدفق عبر الحاجز يخضع أساسًا لقوانين الانبعاث الحراري ، بالإضافة إلى حقيقة أن حاجز شوتكي ثابت بالنسبة لمستوى فيرمي للمعدن. ^{[ 6 ]}

الانحياز الأمامي: الإلكترونات المثارة حرارياً قادرة على التسرب إلى المعدن.

الانحياز العكسي: الحاجز مرتفع للغاية بحيث لا تستطيع الإلكترونات المثارة حرارياً الدخول إلى نطاق التوصيل من المعدن.

• في حالة الانحياز الأمامي، يوجد العديد من الإلكترونات المثارة حراريًا في أشباه الموصلات، والتي تستطيع عبور الحاجز. ويتوافق عبور هذه الإلكترونات للحاجز (دون عودة أي إلكترونات) مع تيار في الاتجاه المعاكس. يرتفع التيار بسرعة كبيرة مع زيادة الانحياز، ولكن عند الانحيازات العالية، قد تبدأ مقاومة التوالي لأشباه الموصلات في الحد من التيار.
• في حالة الانحياز العكسي، يوجد تيار تسريب صغير لأن بعض الإلكترونات المثارة حراريًا في المعدن تمتلك طاقة كافية لتجاوز الحاجز. في التقريب الأول، يُفترض أن يكون هذا التيار ثابتًا (كما في معادلة ثنائي شوكلي )؛ إلا أن التيار يزداد تدريجيًا مع الانحياز العكسي نتيجة لانخفاض طفيف في الحاجز (على غرار تأثير شوتكي الفراغي ). عند الانحيازات العالية جدًا، تنهار منطقة الاستنزاف.

ملاحظة: المناقشة أعلاه تتعلق بحاجز شوتكي لأشباه الموصلات من النوع n ؛ تنطبق اعتبارات مماثلة على أشباه الموصلات من النوع p .

إن العلاقة بين التيار والجهد هي نفسها نوعياً كما هو الحال مع وصلة pn ، إلا أن العملية الفيزيائية تختلف إلى حد ما. ^{[ 7 ]}

ثنائي شوتكي عبارة عن وصلة معدنية-شبه موصلة مفردة، تُستخدم لخصائصها التقويمية. غالبًا ما تكون ثنائيات شوتكي هي الأنسب عندما يُراد انخفاض جهد أمامي منخفض، كما هو الحال في مصادر الطاقة ذات التيار المستمر عالية الكفاءة . أيضًا، نظرًا لآلية توصيل حاملات الشحنة الأغلبية، يمكن لثنائيات شوتكي تحقيق سرعات تبديل أعلى من ثنائيات الوصلة p-n، مما يجعلها مناسبة لتقويم الإشارات عالية التردد.

بإدخال واجهة ثانية بين أشباه الموصلات والمعادن، ومجموعة بوابات تتداخل مع كلا الوصلتين، يمكن الحصول على ترانزستور تأثير المجال ذي حاجز شوتكي (SB-FET). توجه البوابة حقن حاملات الشحنة داخل القناة، معدلةً انحناء نطاق الطاقة عند الواجهة، وبالتالي مقاومة حواجز شوتكي. عمومًا، يمثل مسار المقاومة الأكبر للتيار حواجز شوتكي، لذا لا تساهم القناة نفسها بشكل كبير في التوصيل عند تشغيل الترانزستور. يتميز هذا النوع من الأجهزة بسلوك ثنائي القطبية، فعند تطبيق جهد موجب على كلا الوصلتين، ينحني مخطط نطاق الطاقة الخاص بهما إلى الأسفل، مما يسمح بمرور تيار إلكتروني من المصدر إلى المصب (وجود حاجز شوتكي).${\displaystyle V_{DS}}$يُفترض وجود جهد ضمني دائمًا بسبب النفق المباشر . في الحالة المعاكسة، عند تطبيق جهد سالب على كلا الوصلتين، ينحني مخطط نطاق الطاقة للأعلى، مما يسمح بحقن الفجوات وتدفقها من المصرف إلى المصدر. يؤدي ضبط جهد البوابة على 0 فولت إلى كبح تيار النفق، ولا يسمح إلا بتدفق تيار أقل نتيجةً للظواهر الحرارية . يرتبط أحد أبرز عيوب هذا الجهاز ارتباطًا وثيقًا بوجود هذا التيار، مما يُصعّب إيقاف تشغيله بشكل صحيح. من مزايا هذا الجهاز الواضحة عدم الحاجة إلى تطعيم القناة، وبالتالي تجنب الخطوات التقنية المكلفة مثل زرع الأيونات والمعالجة الحرارية عند درجات حرارة عالية ، مما يُبقي الطاقة الحرارية منخفضة. مع ذلك، غالبًا ما يؤدي انحناء نطاق الطاقة الناتج عن فرق الجهد بين المصرف والبوابة إلى حقن عدد كافٍ من حاملات الشحنة، مما يجعل إيقاف تشغيل الجهاز بشكل صحيح أمرًا مستحيلاً. كما أن انخفاض تيار التشغيل بسبب المقاومة الذاتية لوصلات شوتكي من السمات المميزة لهذا النوع من الأجهزة، بالإضافة إلى صعوبة التوسع وعدم موثوقيته نظرًا لصعوبة التحكم في مساحة الوصلة.

يُعرف الترانزستور ثنائي القطب ذو الوصلة المزدوجة، والذي يحتوي على حاجز شوتكي بين القاعدة والمجمع، باسم ترانزستور شوتكي . ولأن جهد الوصلة لحاجز شوتكي منخفض، يُمنع الترانزستور من التشبع، مما يُحسّن سرعته عند استخدامه كمفتاح. وهذا هو أساس عائلات ترانزستورات شوتكي وشوتكي المتقدمة بتقنية TTL ، بالإضافة إلى إصداراتها منخفضة الطاقة .

يستخدم ترانزستور MESFET ، أو ترانزستور تأثير المجال المعدني-شبه الموصل ، حاجز شوتكي منحازًا عكسيًا لتوفير منطقة استنزاف تعزل قناة موصلة مدفونة داخل شبه الموصل (على غرار ترانزستور JFET حيث توفر وصلة p-n منطقة الاستنزاف). ومن أنواع هذا الجهاز ترانزستور عالي الحركة الإلكترونية (HEMT)، الذي يستخدم أيضًا وصلة غير متجانسة لتوفير جهاز ذي موصلية عالية للغاية.

يستخدم ترانزستور تأثير المجال ذو الأنابيب النانوية الكربونية ذو حاجز شوتكي التلامس غير المثالي بين المعدن والأنابيب النانوية الكربونية لتشكيل حاجز شوتكي يمكن استخدامه لصنع ثنائيات شوتكي صغيرة للغاية، وترانزستورات، وأجهزة إلكترونية مماثلة ذات خصائص ميكانيكية وإلكترونية فريدة.

يمكن استخدام حواجز شوتكي أيضًا لتوصيف أشباه الموصلات. في منطقة الاستنزاف لحاجز شوتكي، تبقى الشوائب متأينة، مما يُولّد "شحنة فراغية" تُولّد بدورها سعةً للوصلة . يعمل سطح التماس بين المعدن وشبه الموصل والحد المقابل لمنطقة الاستنزاف كلوحين مكثف، حيث تعمل منطقة الاستنزاف كعازل . بتطبيق جهد كهربائي على الوصلة، يُمكن تغيير عرض منطقة الاستنزاف وبالتالي تغيير السعة، وهو ما يُستخدم في تحليل منحنى السعة والجهد . من خلال تحليل سرعة استجابة السعة لتغيرات الجهد، يُمكن الحصول على معلومات حول الشوائب والعيوب الأخرى، وهي تقنية تُعرف باسم مطيافية المستويات العميقة العابرة .

• اتصال أومي
• ثنائي شوتكي
• الصمام الثنائي
• حالات الفجوة المستحثة بالمعادن
• الميمريستور
• الترطيب الكهربائي