دايود شوتكي

د . رحيم گعيد كاظم ألمرشدي

جامعة بابل – كلية العلوم – قسم الفيزياء

تماس معدن – شبه موصل

Metal – Semiconductor Contacts

كان تماس معدن شبه موصل اول نبيطه عمليه تم تصنيعها لتكون مقوما بتماس نقطه . اذ تم ذلك بضغط سلك معدني رقيق لسطح شبه موصل . لكن لم يكن بالامكان الحصول على  نفس المميزات لمقومات التماس النقطي من نبيطه الى اخرى , لذا استبدلت هذه النبائط بصوره واسعه بنبائط معدن – شبه موصل المصنعه بالتقنيه المستويه Planer  ويبين الشكل 1-a) ) رسما تخطيطيا لمثل هذه النبيطه . ومن اجل تصنيع النبيطه تفتح نافذه في طبقة اوكسيد ويتم ترسيب طبقه من المعدن على شبه الموصل باستخدام منظومة ترسيب فراغي . ويتم تحديد طبقة المعدن التي تغطي النافذهةبعملية الطبع .

علاقة حزم الطاقه                    Energy Band Relation

      يبين الشكل 2-a) ) مخطط حزمة الطاقه لمعدن منعزل مجاور لشبه موصل منعزل من نوع n . حيث ان دالة شغل المعدن تختلف عادة عن دالة الشغل لشبه الموصل . ودالة الشغل هي فرق الطاقه بين منسوب فيرمي ومنسوب الفراغ وكذلك يظهر الشكل الالفه الالكترونيه (q_x) وهي فرق الطاقه بين حافة حزمة التوصيل ومنسوب الفراغ في شبه الموصل . وعندما يلامس المعدن شبه الموصل يجب ان يتساوى منسوب فيرمي للمادتين عند الاتزان الحراري .

     كما انه يجب ان يكون مستوى الفراغ متواصلا . فان هذين الشرطين يفرضان شكلا محددا لمخطط حزمة الطاقه لتماس المعدن- شبه الموصل المثالي وكما هو مبين في الشكل ( 2-b ) .

     وفي هذه الحاله المثاليه يكون ارتفاع الحاجز Barrier Height (q?_Bn (

مساويا للفرق للفرق بين دالة الشغل للمعدن والالفه الالكترونيه في شبه الموصل

q?_Bn = q ( ?_m –x )     …………………………… (1)            

     وبالاسلوب نفسه يكون ارتفاع الحاجز q?_Bp للتماس المثالي بين معدن وشبه موصل من نوع p .

          q?_Bp = E_g – q (?_m –x ) ………………………… (2)                   

       . وبذلك فانه لشبه موصل معين  فجوة الطاقه لشبه الموصلE_g   

ولاي معدن كان فان مجموع ارتفاع الجهد الناشئ مع ارضيه من شبه موصل     من نوع      وارتفاع الجهد لارضيه لارضيه من نوع     يتوقع ان يكون مساويا لفجوة الطاقه .

_Bn + ?_Bp ) = E_g   ………………………….  (3) ?)           q

ويبين الشكل (2-c) توزيع الشحنات لتماس معدن مع شبه موصل نوع n  حيث ان الشحنات السالبه السطحيه على المعدن والشحنات الموجبه على شبه الموصل تكون متساويه . 

        يمكن وصف توزيع الشوائب عند المفرق بانه يقترب عند انتقاله فجائيا في تركيز التطعيم من الطرف (s) الى الطلرف (m) .

               for W >  x   …………… (4)

المعادله (4) تمثل كثافة شحنة الحيز في منطقة النضوب .

                  for x > W    ………………(5)

       ) 6 (                            ........                              

       نلاحظ مما سبق ان مفرق شبه موصل- معدن هو مفرق فجائي احادي الجانب وذلك لان التركيز في الجانب m هو اعلى بكثير من الجانب الاخر .

      وتكون معادلة توزيع المجال الكهربائي والتي تحسب للجانب (s ) الواطئ التركيز : 

         ……………………  (7)                  

ويعطينا تكامل معادلة بوازون مره ثانيه توزيع الجهد :

       …………………………… (8)

الشكل (3) يمثل حزمة الطاقه لتماس معدن مع شبه موصل نوع n ونوع p عند الاتزان الحراري حيث ان الجهد الكهروستاتيكي عبر المفرق V_bi يمثل الفرق في الطاقه الكامنه مابين الطرف (s) والطرف (m) . وعند تسليط فولتيه موجبه V_F على المعدن بالنسبه للطرف n يصبح المفرق بانحياز امامي وكما موضح بالشكل (3-b) ويهبط الجهد الكهروستاتيكي الكلي عبر المفرق بمقدار V_F . وبذلك فان الانحياز الامامي يقلل عرض طبقة النضوب . وعلى النقيض من ذلك فان تسليط فولتيه سالبه V_R على الطرف n نسبة الى الطرف m كما مبين بالشكل (3-c) يجعل المفرق بانحياز عكسي ويرتفع الجهد الكهروستاتيكي عبر المفرق الى V_R+V_bi  ونرى في هذه الحاله ان الانحياز العكسي يزيد من عرض منطقة النضوب . واذا شملنا فولتية الانحياز في المعادله (6) بجعل عرض منطقة النضوب بدلالة الفولتيه المسلطه بالصيغه :-

                 …………………………. (9)           )                                                                                                              3الشكل

وتوخذ V موجبه للانحياز الامامي وسالبه للانحياز العكسي .

وتوخذ معادلة شدة المجال القصوى والتي تظهر عند x =0 :

Current – Voltage هCharacteristics          مميزات التيار- الفولتي 

يتم نقل التيار في تماس المعدن- شبه الموصل   بصوره رئيسيه بواسطة الحاملات 

الاغلبيه بخلاف مانجده في مفارق p-n  حيث ان التيار يعود بصوره رئيسيه الى الحاملات الاقليه . وبالنسبه لثنائي شوتكي والذي يعمل عند درجات حراره معتدله فان الية التوصيل المهيمنه  هي بواسطة الانبعاث الحراري للحاملات الاغلبيه من شبه الموصل وفوق حاجز الجهد الى المعدن . يبين الشكل (4) عملية الانبعاث ، ففي حالة الاتزان الحراري (4-a) تكون كثافة التيار محصله لتيارين متساويين يسريان باتجاهين متعاكسين وبذا تكون صفرا . فلالكترونات في شبه الموصل تميل الى السريان (او الانبعاث) الى المعدن . وهناك سريان متوازن معاكس للالكترونات من المعدن الى شبه الموصل . وهذان التياران يتناسبان طرديا مع كثافة الالكترونات عند حدود التماس. كثافة الالكترونات n_s  عند سطح شبه موصل هي :  

           n_s= N_D e^-qV_bi / kT

a.    عند الاتزان الحراري :

b . بانحياز امامي

                      سوف يتغير بنفس النسبه

             يبقى نفسه لان الحاجز