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Contacts semiconducteur-métalDiode Schottky

Contact entre un semiconducteur dopé n et un métal

A l’équilibre (contact), des charges négatives vont s’écouler du semiconducteur (dopé n) vers le métal.

Le travail de sortie est la différence entre le niveau de fermi et le niveau du vide :

qm (métal); q(+Vn) (semiconducteur, qVn = Ec - Ef et q affinité électronique)

La hauteur de barriére qbn est la différence entre le travail de sortie du métal et l’affinité électronique du semiconducteur (liée aux propriétés des matériaux).

Contacts semiconducteur-métalDiode Schottky

Emission thermoioniqueTransport d’électrons du semiconducteur vers le métal (1) est supposé prépondérant, devant le courant tunnel (2), la recombinaison dans la zone de charge d’espace (3) et l’injection de trou à partir du métal (4).

Analogie avec la jonction p-n

La densité de courant correspond aux électrons ayant une énergie suffisante pour franchir la barrière (b est légèrement inférieure à bn). x : direction de propagation

N(E) : densité d’état (qVn = EC-EF)

F(E) : probabilité d’occupation

Contacts semiconducteur-métal

On postule que l’énergie des électrons dans la bande de conduction est cinétique;

Nbre d’électrons par unité de volume ayant une vitesse entre v et v+dv :

avec 4v2dv = dvxdvydvz, en intégrant :

Contacts semiconducteur-métal

v0x est la vitesse minimale (dans la direction x) nécessaire au franchissement de la barrière. Vbi : chute de potentiel (« built in ») à V = 0. Finalement :

avec (constante de Richardson) :

Le courant opposé correspondant au flux des électrons du métal vers le semiconducteur n’est pas affecté par V (barrière inchangée). On l’obtient à partir de l’expression précédente avec V = 0 :

Contacts semiconducteur-métal

Bilan final (courant 1):

avec :

Expression similaire à celle obtenue pour la jonction p n

Résistance de contact :

Contacts ohmiques

• L’utilisation de métaux à faible travail de sortie (compatibles avec la technologie) et/ou de forts dopages permet la réduction de la résistance de contacts.

• Dans le cas des forts dopages, les porteurs traversent la barrière par effet tunnel.

• Dans le cas des semiconducteurs à grande bande interdite, il est difficile de trouver des métaux qui permettent de diminuer la barrière.

Transport électronique dans le nc-Si (p-Si)

Comparaison entre le nc-Si (traits pleins) et le c-Si (pointillés) : apparition d’une concentration critique

Modèle de Seto (1975)

Transport électronique dans le nc-Si (p-Si)

• Taille des grains identiques et cubiques (nc-Si). Représentation 1D• Structure de bande du c-Si dans les grains• Concentration de dopage uniforme, tous les atomes dopants ionisés• Joints de grain sans épaisseur• Défauts : pièges situés aux joints de grains • Les pièges sont initialement neutres et se chargent par capture de porteurs• Les pièges sont accepteurs dans un semicond. n (donneurs si p)• Le niveau d’énergie des pièges est situé au milieu de la bande interdite

Hypothèses du modèle :

Calcul de la hauteur de barrière

Calcul de la hauteur de barrière (suite)

Ce qui donne, compte tenu des conditions aux limites :

La barrière EB correspond à la différence d’énergie entre x = 0 et x = X/2 :

Calcul de la hauteur de barrière (suite)

X/2 ne peut excéder LG/2 ce qui définit une concentration critique ND* qui

correspond à cette limite :

La valeur de X doit vérifier la neutralité électrique globale : X q N D+ = q NTA

-

Ce qui peut se réduire à X = NTA / ND ce qui permet de déduire EB

Pour une densité de piège fixe, si la densité de dopage est supérieure à la concentration critique, la zone de charge d’espace est plus petite que LG. Sinon la cristallite est totalement déplétée.

1) ND > ND*

La hauteur de barrière est indépendante de la taille des cristallites. Si la concentration de dopants est élevée EB est proche de zéro. Le comportement s’approche du monocristal.

La forme du potentiel, dans les deux régions, est :

1) ND > ND*

On peut utiliser la statistique de Boltzmann pour calculer la concentration d’électrons libres :

On obtient finalement :

2) ND < ND*

La densité de dopant est insuffisante pour saturer les pièges aux joints de grain, les cristallites sont totalement déplétées, le niveau de Fermi se déplace vers le milieu de la bande interdite pour induire une ionisation partielle des pièges (niveau proche du milieu de bande)

Dans les cristallites :

2) ND < ND*

Le niveau de Fermi est obtenue à partir de la statistique de Fermi-Dirac. La partie ionisée des pièges est donnée par :

La concentration de charges libres dans les cristallites est :

(EC1 (x) représente la position du bord de la bande de conduction dans la zone neutre)

Dépendance de la hauteur de barrière en fonction du dopage

Ce calcul (à température ambiante) correspond à NTA = 1012 cm-2

Rappel : ce modèle ne s’applique que pour les nanocristaux

Transport électronique dans le nc-Si

La conduction dans le nc-Si est contrôlée par les barrières d’énergie (EB) aux joints de grain.

Deux situations sont possibles :

• L’épaisseur de la barrière est très faible, la zone de charge est mince (densité de défaut faible ou dopage fort). Un effet tunnel peut apparaître. La notion de polycristal disparaît et la mobilité du matériau tend à se rapprocher du monocristal.

• L’épaisseur de la barrière est relativement grande. Un courant d’émission thermoionique peut apparaître, suivant la loi de Bethe qui donne la densité de courant en fonction du potentiel appliqué Va et de la hauteur de barrière :

Courant thermo-ionique

Rappel : barrière Schottky

m : masse effective des électrons

Transport électronique dans le nc-Si

nc-Si : taille des cristallites négligeable devant l’épaisseur de la couche, la chute de potentiel aux joints (Va) est négligeable

La conductivité moyenne est estimée à un grain (champ Va/LG). Loi d’Ohm :

= qn

Conséquence : la mobilité est activée thermiquement et dépend fortement de EB. EB est maximal près de la concentration critique. La conductivité doit donc présenter un minimum dans ce domaine de dopage.

Transport électronique dans le nc-Si (p-Si)

G est la mobilité dans les grains comparable à celle du monocristal