CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Cơ sở lý thuyết chuyển tiếp dị thể 1. Chuyển tiếp Schottky 1. Rào thế Schottky Schottky điốt là một trong những linh kiện bán dẫn ra đời từ rất lâu nhưng vẫn được sử dụng rộng rãi ngày nay.
Ứng dụng của linh kiện này thu hút sự quan tâm từ trước những năm 1900. Rào thế hình thành trong vùng điện tích không gian bề mặt bán dẫn được đề cập đến lần đầu tiên bởi Schottky và Mott vào năm 1938. Lý thuyết bề mặt đã được phát triển bởi Bardeen [37] để giải thích các kết quả thực nghiệm đối với điốt Schottky. Sau đó lý thuyết nhiệt- phát xạ được sử dụng để giải thích cơ chế của dòng dịch chuyển qua rào thế Schottky được công bố bởi Crowell và Sze [20].
Ngoài ra, chuyển tiếp Schottky còn được đề cập đến trong nhiều công trình tổng quan khác như [83] [7]. Trong mục này, luận án sẽ đề cập đến các đặc trưng cơ bản của chuyển tiếp Schottky liên quan đến ứng dụng nhạy khí. Chuyển tiếp Schottky giữa kim loại và bán dẫn loại n có công thoát nhỏ hơn: (a) Công thoát ϕM và năng lượng Fermi EFM của kim loại, (b) công thoát ϕS, ái lực hoá học điện tử và các mức năng lượng trong bán dẫn, (c) Vùng điện tích không gian của chuyển tiếp kim loại-bán dẫn n, (d) Sơ đồ năng lượng của chuyển tiếp kim loại- bán dẫn loại n ở trạng thái cân bằng, (e) Sơ đồ năng lượng của chuyển tiếp kim loại- bán dẫn loại p ở trạng thái cân bằng [7]. 17 Các chuyển tiếp giữa kim loại và bán dẫn có thể có tính chất Ohmic hay chỉnh lưu (chuyển tiếp Schottky) tuỳ thuộc vào chênh lệch công thoát giữa hai loại vật liệu.1 mô tả mô hình của chuyển tiếp giữa kim loại và bán dẫn loại n lý tưởng.
Trong đó, E0 là mức năng lượng chân không hay năng lượng của điện tử tự do. E0 thường được hiểu là trạng thái năng lượng của điện tử có động năng bằng 0 bên ngoài vật liệu. Sự chênh lệch giữa năng lượng chân không E0 và mức Fermi EF được gọi là công thoát ϕ (1.1) Vì mức Fermi không cố định nên công thoát ϕS = E0 – EFS trong bán dẫn sẽ thay đổi, phụ thuộc vào mức độ pha tạp. Công thoát không phải là thông số đặc trưng cho bán dẫn.
Một hằng số có thể đặc trưng cho bán dẫn là năng lượng chênh lệch giữa mức chân không và năng lượng đáy vùng dẫn, được gọi là ái lực hoá học của điện tử, ký hiệu là χ (1.2) Khi hình thành chuyển tiếp giữa kim loại công thoát ϕM với bán dẫn loại n có công thoát ϕS (ϕM > ϕS ) như Hình 1.1 (a-d), các điện tích sẽ dịch chuyển cho đến khi mức Fermi hai vật liệu đạt trạng thái cân bằng.1a và b, sự chênh lệch mức Fermi cho thấy điện tử trong bán dẫn loại n có năng lượng trung bình cao hơn so với kim loại, khi hình thành chuyển tiếp sự khác biệt về năng lượng sẽ làm cho điện tử từ bán dẫn dịch chuyển sang kim loại. Sự dịch chuyển điện tích này làm hình thành một lớp nghèo các hạt tải tự do tại mặt tiếp xúc phía bán dẫn gọi là vùng nghèo. Các điện tử dịch chuyển từ bán dẫn loại n sang kim loại để lại các ion dương donor nên vùng nghèo còn gọi là vùng điện tích không gian như Hình 1. Vùng nghèo có độ rộng w từ mặt tiếp xúc giữa hai vật liệu và tương ứng với vùng uốn cong của các mức năng lượng trong sơ đồ Hình 1.
Sự hình thành vùng nghèo trong bán dẫn chính là điều kiện cần để tạo ra chuyển tiếp Schottky. Trong trường hợp ϕM < ϕS điện tử sẽ được phun từ kim loại sang bán dẫn. Phía bán dẫn trở nên giàu điện tử hơn. Không có vùng nghèo hình thành trong trường hợp này do mật độ điện tử trong kim loại là vô cùng lớn, do đó chuyển tiếp có tính Ohmic.
Vùng nghèo điện tử trong bán dẫn (ion dương donor) và một lớp mỏng điện tích trái dấu phía kim loại tạo thành một tụ phẳng với điện trường chuyển tiếp ⃗⃗⃗ 𝐸𝑖 và thế tiếp xúc φi = ϕi/e (e là điện tích của điện tử) tại tiếp xúc kim loại bán dẫn, điện trường này sẽ ngăn cản sự khuếch tán của điện tử từ bán dẫn sang kim loại. ϕi = eφi chính là năng lượng rào thế cản trở sự khuếch tán của điện tử, ϕi được xác định bởi phương trình (1.3) Sơ đồ năng lượng của chuyển tiếp kim loại với bán dẫn loại n ở trạng thái cân bằng được mô tả trên Hình 1. Sự gián đoạn của các mức năng lượng cho phép làm hình thành vùng nghèo tại mặt tiếp xúc kim loại bán dẫn, ϕB được gọi là rào thế Schottky, ϕB có vai trò tương tự như ϕi trong phương trình (1. Tuy nhiên, ϕi có thể điều khiển bằng điện áp phân cực ngoài, trong khi ϕB không bị ảnh hưởng của điện áp phân cực.
Rào thế Schottky được xác định bằng chênh lệch giữa công thoát của kim loại và ái lực hoá học của điện tử trong bán dẫn: ϕ𝐵 = |ϕ𝑀 − 𝜒| (1.4) Phương trình (1.4) chính là mối liên hệ Schottky- Mott. ϕM và χ là tính chất của mạng tinh thể, không thể điều khiển bằng pha tạp thông thường hay phân cực. Tương tự đối với chuyển tiếp kim loại và bán dẫn loại p, khi ϕM < ϕS, các điện tử sẽ dịch chuyển từ kim loại sang bán dẫn hình thành rào thế Schottky xác định theo phương trình: ϕ𝐵 = 𝐸𝑔 − |ϕ𝑀 − 𝜒| (1.5) Trong đó, Eg là độ rộng vùng cấm của bán dẫn: 𝐸𝑔 = 𝐸𝐶 − 𝐸𝑉 (1.6) Rào thế là thông số rất quan trọng trong chuyển tiếp kim loại bán dẫn, chiều cao rào thế xác định trong phương trình (1.5) phụ thuộc bản chất vật liệu, không phụ thuộc vào việc pha tạp bán dẫn. Đối với chuyển tiếp kim loại và bán dẫn loại n, công thoát của kim loại càng cao thì chiều cao rào thế càng lớn, tính chỉnh lưu của chuyển tiếp càng tốt.
Tuy nhiên, thực nghiệm lại cho thấy phương trình (1.5) chỉ đúng khi chiều cao rào thế Schottky gần như không phụ thuộc vào công thoát của kim loại [20]. Sự khác biệt này là do mô hình Schottky đơn giản không tính đến ảnh hưởng của một số hiệu ứng phát sinh tại chuyển tiếp giữa hai vật liệu khác nhau. Trong chuyển tiếp kim loại-bán dẫn tồn tại sự gián đoạn của các tinh thể bán dẫn. Bề mặt bán dẫn tồn tại các trạng thái bề mặt với năng lượng nằm trong vùng cấm do các liên kết cộng hoá trị treo (trạng thái Shockley-Tamm) và những hiệu ứng khác (như liên kết của nguyên tử ngoại lai trên bề mặt hay khuyết tật trong tinh thể), dẫn đến hình thành điện tích tại mặt tiếp xúc.
Các trạng thái năng lượng này có thể ứng với các trạng thái giống như acceptor, có thể là trung hoà (khi trống) hoặc âm (khi bị chiếm chỗ bởi một electron). Những trạng thái bề mặt khác tương ứng với các trạng thái giống như donor, có thể là mức trung hoà (khi bị chiếm chỗ bởi một 19 điện tử) hoặc dương (khi trống). Bardeen [37] đã chỉ ra vai trò quan trọng của các trạng thái bề mặt trong việc xác định chiều cao rào thế. Ảnh hưởng của các trạng thái acceptor trên bề mặt bán dẫn n được mô tả trên Hình 1.2a, sự chiếm chỗ một số trạng thái bề mặt của điện tử tạo ra vùng nghèo gần bề của bán dẫn, làm cho các mức năng lượng bị uốn cong ở gần bề mặt, điều này xảy ra ngay cả khi bán dẫn không tiếp xúc với kim loại.
Khi hình thành chuyển tiếp kim loại bán dẫn với ϕM > ϕS, các điện tử dịch chuyển từ bán dẫn sang kim loại làm uốn cong dải năng lượng vùng dẫn xa mức Fermi hơn. Sự uốn cong vùng năng lượng cũng loại bỏ các điện tích âm bị bắt trong các trạng thái bề mặt và nâng những trạng thái này lên trên mức EF. Các điện tử bị bắt trong trạng thái acceptor bề mặt đóng góp vào tất cả sự dịch chuyển điện tích từ bán dẫn sang kim loại để thiết lập trạng thái cân bằng nhiệt. Mật độ trạng thái bề mặt càng lớn thì các điện tử tại các tâm bắt càng được loại bỏ cho sự gia tăng Ec – EF (uốn cong vùng năng lượng).
Tuy nhiên, nếu mật độ trạng thái bề mặt rất lớn, một sự dịch chuyển nhỏ của mức Fermi tại bề mặt bán dẫn cũng đủ để điện tích dịch chuyển nhằm thiết lập trạng thái cân bằng nhiệt. Trong trường hợp này, mức Fermi được coi là bị ghim bởi mật độ trạng thái cao. Sự ghim mức Fermi có thể xảy ra bất kỳ lúc nào, khi đó một lượng lớn các trạng thái điện tử được tập hợp gần mức Fermi, một sự thay đổi nhỏ về vị trí mức năng lượng Fermi tại bề mặt bán dẫn có thể tạo ra sự dịch chuyển điện tích khá lớn. Khi tồn tại cả trạng thái acceptor và donor trên bề mặt, điện tích trên bề mặt bán dẫn chỉ bằng 0 khi hai mức Fermi trùng nhau, gọi là mức trung hoà ϕ0 (Hình 1.
Mức trung hoà nằm trên mức EV phân tách trạng thái acceptor và donor, trên ϕ0 là acceptor, dưới ϕ0 là trạng thái donor. Thông thường mức Fermi ở bề mặt trùng với mức trung hoà, điện tích tại mặt tiếp xúc bằng 0. Mức năng lượng trung hoà cũng có khuynh hướng ghim mức Fermi tại bề mặt trước hình thành chuyển tiếp với kim loại. Khi mức Fermi dịch ra xa mức trung hoà, điện tích điểm xuất hiện tại mặt tiếp xúc (điện tích âm trong ví dụ Hình 1.2b), tại đây mức Fermi có thể dịch chuyển lên cao hơn mức trung hoà để điền vào các trạng thái acceptor.
Khi mức Fermi bị ghim, chiều cao rào thế không phụ thuộc vào công thoát của kim loại mà được quy định bởi mật độ trạng thái bề mặt của bán dẫn theo phương trình (1. Dòng điện qua chuyển tiếp Schottky Đối với các điốt Schottky lý tưởng, dòng điện tử bị kích thích từ bán dẫn sang kim loại vượt qua rào thế ϕi sẽ đóng vai trò quyết định dòng qua chuyển tiếp. Khi đó, đặc trưng I-V của chuyển tiếp tuân theo lý thuyết nhiệt phát xạ (TE).