La structure métal-semi conducteur

¨ 1 Introduction.

¨ 2 Effets de surface.

¡  2.1 Travail de sortie.

¡  2.2 Affinité Électronique.

¡  2.3.Effet SCHOTTKY.

¡  2.4 Etats de surface.

¨ 3 Contact Métal-Semi conducteur.

¡  3.1 Cas où q _{m = q s}

¡  3.2 Cas où  q _{m > q s}

¡  3.3 Cas où  q _{m < q s}

¨ 4 La diode SCHOTTKY.

¡  4.1 La diode SCHOTTKY non polarisée.

¡  4.2 La diode SCHOTTKY polarisée en direct.

¡  4.3 La diode SCHOTTKY polarisée en inverse.

¡  4.4 Comparaison diode SCHOTTKY et diode PN.

¡  4.5 Application des diodes SCHOTTKY.

¨ 5 Le contact ohmique.

¡  5.1 Résistance de contact.

¡  5.2 Le contact ohmique.

¡  5.3 Résistance carrée.

¡  5.4 Détermination de la résistance de contact.

¨ 6 Conclusion

¨ La structure Métal-Semi conducteur (M-SC) est le dispositif unipolaire le plus simple. Il est à la base d'un grand nombre de structures plus complexes.

¨ Dispositif unipolaire : un seul type de porteurs (électrons ou trous) participe de façon importante à la conduction du courant et détermine les conditions de fonctionnement du dispositif.

¨  Souvent l'application d'une tension sur  une structure MS  produit une caractéristique I(V) non symétrique, la structure se comporte comme un redresseur : c'est une diode SCHOTTKY.

¨ Certaines structures M-SC peuvent présenter des caractéristiques I(V) très symétriques, ce sont alors des contacts ohmiques. La maîtrise des contacts ohmiques est capitale pour réaliser les connexions entres les différentes structures d'un circuit intégré.

¨ Les structures M-SC sont particulièrement bien adaptées à la technologie silicium. Elles sont souvent réalisées en ouvrant une fenêtre dans une couche d'oxyde et en déposant sous vide un film métallique qui entre en contact intime avec le semi conducteur

2.1 Travail de sortie.

¨ Dans le métal, l'électron de conduction est soumis à un ensemble de forces d'interaction dont la résultante est nulle, il peut se déplacer librement.

¨ Quand l'électron arrive à la surface du métal, la compensation des forces d'interaction entre-elles n'est plus totale, l'électron est retenu à l'intérieur du métal.

¨ Pour extraire un électron du métal, il faudra donc lui fournir de l'énergie.

¨ On appelle Niveau du Vide (Vacuum level), noté NV, l'énergie d'un électron extrait du corps et sans vitesse initiale. C'est l'énergie potentielle de l'électron dans le vide au voisinage du corps étudié.

¨ Travail de sortie d'un métal

¨ On appelle travail de sortie (work function) l'énergie qu'il faut fournir à un électron situé au niveau de FERMI pour l'arracher du métal et l'amener au niveau du vide NV.

¨ Le travail de sortie d'un métal est donc :

¨ q m =  NV - EF

¨ C'est une constante physique du métal considéré

¨ Dans les semi conducteurs et les isolants, le travail de sortie  q _s est défini de la même manière. Cependant pour les semi conducteurs, la position du niveau de FERMI dépend du dopage et q _s n'est pas une constante physique du matériau

2.2 Affinité électronique

¨ Sauf pour les semi conducteurs dégénérés, il n'y a pas d'électron au niveau de FERMI, on définit l'affinité électronique (électron affinité) comme l'énergie qu'il faut fournir à un électron situé dans la bas de la BdC pour l'amener au niveau du vide.

¨ q _s = NV - E_c

¨ Cette grandeur est une constante physique du semi conducteur  :

¨ Si            4.01

¨ Ge          4.13

¨ GaP        4.3

¨ GaAs      4.07

¨ GaSb      4.06

¨ SiO₂       1.1

2.3 Effet SCHOTTKY

¨ Lorsqu'un électron est extrait d'un métal, il induit une charge + q à l'intérieur : charge image.

¨ En électrostatique, on montre que les lignes de champ établies entre la charge (-q) et la charge image (+q) espacées de la distance 2x sont perpendiculaires à la surface conductrice.

¨ la force de COULOMB exercée par le conducteur sur l'électron dans le vide est :

¨ ₀ : permittivité du vide.

¨ l'énergie potentielle de l'électron situé à la distance x du conducteur = - travail nécessaire pour l'amener à ce point :

¨  

¨ l'énergie de la barrière de potentiel à la sortie du métal ne passe pas brutalement de q _m  à 0 mais est de la forme :

¨ Supposons qu'il existe un champ électrique E(x) à l'extérieur du métal, il découle d'un potentiel extérieur tel que :

2.4 États de surface

¨ En pratique, la surface provoque une modification des états électroniques par des :

¨ phénomènes intrinsèques : la rupture de la périodicité du réseau génère des liaisons pendantes. Il en résulte des états électroniques différents de ceux existants à l'intérieur du semi conducteur.

¨ phénomènes extrinsèques : quoique l'on fasse, des atomes étrangers vont venir à la surface et créer des niveaux d'énergie inexistants dans le volume cristallin. Ce sont des molécules de solvant utilisés dans les traitements de surface et surtout des atomes d'oxygène de l'air (création d'une couche d'oxyde natif de quelques A°)

Ces états d'énergie appelés états de surface (surface state, interface state) sont situés dans la bande interdite et sont généralement régulièrement distribués entre E_c et E_v.
Ils sont caractérisés par un niveau de neutralité E₀ (neutral level) tel que si tous les état situés au dessus sont occupés par un électron, tous les états en dessous sont vides la surface est électriquement neutre.
Expérimentalement, le niveau E₀ se trouve aux environs de E_g/3 pour la plupart des semi conducteurs.  

¨ En d'autre termes :

¨ les états de surface vides situés au dessus de E₀, seront chargés positivement et considérés comme des atomes donneurs ionisés.

¨ les états de surface occupés situés en dessous de E₀ seront chargés négativement et seront considérés comme des atomes accepteurs ionisés.

¨  Si au voisinage de la surface du cristal semi conducteur, la densité des électrons libres est inférieure à celle existant à l'intérieur, la bande de conduction s'incurve vers le haut pour s'écarter du niveau de FERMI. Il en résulte un potentiel de surface tel que :

¨ V_s = -(E_cs - E_c)/q = -(E_vs - E_v)/q (V.)

¨ Ce potentiel de surface qui modifie l'affinité électronique du semi conducteur est évidemment très sensible au traitement subi par la surface du semi conducteur.

3 Le contact Métal-Semiconducteur.

¨ Quand un métal et un semi conducteur sont en contact, la structure des bandes d'énergie à l'interface est conditionnée par la différence éventuelle entre le travail de sortie du métal : q _m   et le travail de sortie du semi conducteur : q _s .

¨ Dans toute l'étude, on considérera le contact entre un métal et un semi conducteur de type "N"

¨ 3.1 Cas où q _m = q _s

¨ Envisageons le cas où le travail de sortie du métal : q _m   est égal au travail de sortie du semi conducteur : q _s . 

Les niveaux de FERMI du métal E_Fm et du semi conducteur E_FN sont alignés en l'absence de contact car leur distance au niveau du vide est la même

à suiver