Барьер Шоттки — фундаментальное понятие в физике поверхности и полупроводников, описывающее энергетический барьер, возникающий на контакте металла с полупроводником. Этот барьер играет ключевую роль в формировании электронных и дырочных потоков через металл-полупроводниковый переход и определяет характеристики таких устройств, как диоды Шоттки, фотодетекторы, полупроводниковые сенсоры и многие другие.
При контакте металла и полупроводника возникает перераспределение зарядов, которое приводит к выравниванию уровней Ферми. В результате на границе раздела формируется потенциальный барьер, препятствующий свободному переходу носителей заряда через контакт. Этот барьер и называется барьером Шоттки.
В исходном состоянии металл и полупроводник имеют свои уровни Ферми, находящиеся на разной энергетической высоте относительно вакуумного уровня:
После контакта происходит перераспределение электронов с целью выравнивания химического потенциала (уровня Ферми), что сопровождается переносом зарядов и возникновением пространственного заряда — обеднённой или накопительной области.
Энергетическая диаграмма металл–полупроводник после установления равновесия характеризуется:
Для n-типа полупроводника барьер Шоттки определяется разностью работы выхода металла и электроотрицательности полупроводника:
ΦB = ΦM − χ
где:
Однако на практике величина барьера часто отличается от этой простой формулы из-за влияния интерфейсных состояний и дефектов.
Для p-типа полупроводника барьер Шоттки можно выразить как:
ΦB = Eg − (ΦM − χ)
где Eg — ширина запрещённой зоны полупроводника.
При контакте металл-полупроводник образуется область пространственного заряда (ОПЗ), в которой носители заряда либо выкачиваются (обеднённая область), либо накапливаются (накопительная область). Для n-типа ОПЗ обычно обеднённая.
Размер ОПЗ определяется из решения уравнения Пуассона:
$$ \frac{d^2 V(x)}{dx^2} = - \frac{\rho(x)}{\varepsilon \varepsilon_0} $$
где V(x) — потенциал, ρ(x) — объёмная плотность заряда, ε — диэлектрическая проницаемость полупроводника.
Подставляя распределение зарядов (в основном, ионы доноров в обеднённой области), можно определить ширину обеднённой области W:
$$ W = \sqrt{\frac{2 \varepsilon \varepsilon_0 (V_{bi} - V)}{q N_D}} $$
где:
Основные механизмы переноса носителей через барьер:
Термоионная эмиссия (Thermionic emission) — перенос носителей, которые имеют энергию выше барьера. Для чистых, хорошо выровненных контактов это доминирующий механизм.
Туннелирование (Field emission, Tunneling) — перенос через барьер благодаря квантовомеханическому туннелированию. Значим при высоких концентрациях легирующих примесей (высокая плотность носителей) и тонких барьерах.
Термотуннелирование (Thermionic-field emission) — комбинированный механизм, когда носители сначала приобретают энергию, а затем туннелируют.
Для случая термоионной эмиссии ток плотности описывается уравнением:
$$ J = A^{*} T^2 \exp\left(-\frac{q \Phi_B}{k T}\right) \left[ \exp\left(\frac{q V}{k T}\right) - 1 \right] $$
где:
Это уравнение описывает экспоненциальный рост тока при приложении прямого смещения и его очень малый обратный ток при обратном смещении.
В реальных условиях поверхность полупроводника содержит большое количество дефектных состояний, адсорбированных молекул, структурных нарушений, которые создают энергетические уровни внутри запрещённой зоны. Эти поверхностные состояния существенно влияют на величину барьера и характеристики перехода.
Важное явление — фиксация уровня Ферми (Fermi-level pinning), когда уровень Ферми у поверхности не зависит от работы выхода металла, а определяется энергетическим расположением поверхностных состояний. В этом случае барьер Шоттки становится практически неизменным при замене металла.
Для изучения барьера Шоттки применяются различные экспериментальные методы:
Барьер Шоттки лежит в основе работы множества электронных приборов:
Высота и профиль барьера Шоттки зависят от параметров материала и внешних условий:
Для точного описания барьера Шоттки используют:
| Параметр | Обозначение | Значение и роль |
|---|---|---|
| Работа выхода металла | ΦM | Энергия, необходимая для вывода электрона из металла в вакуум |
| Электронная аффинность | χ | Энергия, необходимая для захвата электрона из вакуума в зону проводимости полупроводника |
| Высота барьера | ΦB | Энергетический барьер на контакте металл-полупроводник |
| Ширина обеднённой области | W | Пространственный размер зоны, свободной от носителей |
| Встроенное напряжение | Vbi | Потенциал, возникающий на контакте в равновесии |
| Постоянная Ричарда | A* | Коэффициент, характеризующий термоионный ток |
В тонкоплёночных структурах на границе металл/полупроводник особенности барьера Шоттки дополнительно определяются:
Контроль над процессом осаждения и технологическими параметрами позволяет управлять высотой и качеством барьера, что критично для микро- и наноэлектронных устройств.
Таким образом, барьер Шоттки является ключевым элементом, определяющим электронные и оптоэлектронные свойства металл-полупроводниковых переходов, и требует детального изучения для совершенствования современных тонкоплёночных и наноструктурированных систем.