धातु-अर्धचालक जंक्शन

ठोस-अवस्था भौतिकी में, एक धातु-अर्धचालक (एम-एस) जंक्शन एक प्रकार का जंक्शन (अर्धचालक) होता है जिसमें एक धातु एक अर्धचालक सामग्री के निकट संपर्क में आती है। यह सबसे पुराना व्यावहारिक अर्धचालक उपकरण है। एम-एस जंक्शन या तो सुधारात्मक या गैर-संशोधित जंक्शन हो सकते हैं। गैर-सुधारात्मक। रेक्टिफाइंग मेटल-सेमीकंडक्टर जंक्शन एक शोट्की बाधा  बनाता है, जिससे एक उपकरण को स्कॉटकी डायोड के रूप में जाना जाता है, जबकि गैर सुधार जंक्शन को ओमिक संपर्क कहा जाता है। (इसके विपरीत, एक सुधारात्मक अर्धचालक-अर्धचालक जंक्शन, आज सबसे आम अर्धचालक उपकरण है, जिसे पी-एन जंक्शन के रूप में जाना जाता है।)

धातु-अर्धचालक जंक्शन सभी अर्धचालक उपकरणों के संचालन के लिए महत्वपूर्ण हैं। आमतौर पर एक ओमिक संपर्क वांछित होता है, ताकि एक ट्रांजिस्टर के सक्रिय क्षेत्र और बाहरी सर्किट्री के बीच विद्युत आवेश आसानी से चलाया जा सके। हालांकि कभी-कभी स्कॉटकी डायोड, स्कॉटकी ट्रांजिस्टर और धातु-अर्धचालक क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर के रूप में एक स्कॉटकी बाधा उपयोगी होती है।

महत्वपूर्ण पैरामीटर: शोट्की बैरियर ऊंचाई
क्या दिया गया धातु-अर्धचालक जंक्शन एक ओमिक संपर्क है या एक स्कॉटकी बाधा शॉटकी बाधा ऊंचाई पर निर्भर करता है, ΦB, जंक्शन का। पर्याप्त रूप से बड़े Schottky बैरियर ऊंचाई के लिए, अर्थात, ΦB थर्मल एनर्जी केटी से काफी अधिक है, सेमीकंडक्टर धातु के पास कमी क्षेत्र है और एक शॉटकी बाधा के रूप में व्यवहार करता है। शोट्की बैरियर की कम ऊंचाई के लिए, अर्धचालक समाप्त नहीं होता है और इसके बजाय धातु के लिए एक ओमिक संपर्क बनाता है।

Schottky बैरियर ऊंचाई को n-टाइप और p-टाइप सेमीकंडक्टर्स (क्रमशः कंडक्शन बैंड एज और वैलेंस बैंड एज से मापा जा रहा है) के लिए अलग-अलग परिभाषित किया गया है। जंक्शन के पास सेमीकंडक्टर के बैंड का संरेखण आमतौर पर सेमीकंडक्टर के डोपिंग स्तर से स्वतंत्र होता है, इसलिए एन-टाइप और पी-टाइप शोट्की बैरियर हाइट्स एक दूसरे से आदर्श रूप से संबंधित हैं:
 * $$\Phi_{\rm B}^{(n)} + \Phi_{\rm B}^{(p)} = E_{\rm g}$$

जहां ईg सेमीकंडक्टर का ऊर्जा अंतराल है।

व्यवहार में, Schottky बैरियर की ऊँचाई इंटरफ़ेस के पार सटीक रूप से स्थिर नहीं होती है, और इंटरफ़ेस की सतह पर भिन्न होती है।

शोट्की-मोट नियम और फर्मी लेवल पिनिंग
Schottky बैरियर गठन का वाल्टर एच. Schottky-नेविल Mott नियम सेमीकंडक्टर के वैक्यूम इलेक्ट्रान बन्धुता (या वैक्यूम आयनीकरण ऊर्जा) के सापेक्ष धातु के वैक्यूम समारोह का कार्य के आधार पर Schottky बैरियर ऊंचाई की भविष्यवाणी करता है:
 * $$\Phi_{\rm B}^{(n)} \approx \Phi_{\rm metal} - \chi_{\rm semi}$$

यह मॉडल वैक्यूम में दो सामग्रियों को एक साथ लाने के विचार प्रयोग पर आधारित है, और सेमीकंडक्टर-सेमीकंडक्टर जंक्शनों के लिए एंडरसन के नियम के तर्क से निकटता से संबंधित है। अलग-अलग अर्धचालक अलग-अलग डिग्री के लिए शोट्की-मॉट नियम का सम्मान करते हैं।

हालांकि Schottky-Mott मॉडल ने सेमीकंडक्टर में बैंड बेंडिंग के अस्तित्व की सही भविष्यवाणी की थी, यह प्रयोगात्मक रूप से पाया गया था कि यह Schottky बैरियर की ऊंचाई के लिए पूरी तरह से गलत भविष्यवाणी करेगा। फर्मी लेवल पिनिंग के रूप में संदर्भित एक घटना ने बैंड गैप के कुछ बिंदु का कारण बना दिया, जिस पर राज्यों की परिमित घनत्व मौजूद है, जिसे फर्मी स्तर पर लॉक (पिन) किया जाता है। इसने Schottky बैरियर की ऊंचाई को धातु के कार्य समारोह के लिए लगभग पूरी तरह से असंवेदनशील बना दिया:
 * $$\Phi_{\rm B} \approx \frac{1}{2} E_{\rm bandgap}$$

जहां ईbandgap सेमीकंडक्टर में बैंड गैप का आकार है।

वास्तव में, अनुभवजन्य रूप से, यह पाया गया है कि उपरोक्त चरम सीमाओं में से कोई भी बिल्कुल सही नहीं है। धातु की पसंद का कुछ प्रभाव होता है, और धातु के काम के कार्य और बाधा की ऊंचाई के बीच एक कमजोर सहसंबंध प्रतीत होता है, हालांकि काम के कार्य का प्रभाव शॉटकी-मॉट नियम द्वारा भविष्यवाणी का केवल एक अंश है।

1947 में जॉन बार्डीन द्वारा यह नोट किया गया था कि फ़र्मी स्तर की पिनिंग घटना स्वाभाविक रूप से उत्पन्न होगी यदि सेमीकंडक्टर के गैप के अंदर ऊर्जा के साथ इंटरफ़ेस पर सेमीकंडक्टर में प्रभार्य अवस्थाएँ हों। ये या तो धातु और सेमीकंडक्टर (धातु-प्रेरित गैप स्टेट्स) के प्रत्यक्ष रासायनिक बंधन के दौरान प्रेरित होंगे या सेमीकंडक्टर-वैक्यूम सतह (सतह राज्यों) में पहले से मौजूद होंगे। ये अत्यधिक सघन सतह राज्य धातु से दान की गई बड़ी मात्रा में आवेश को अवशोषित करने में सक्षम होंगे, धातु के विवरण से सेमीकंडक्टर को प्रभावी ढंग से बचाएंगे। नतीजतन, सेमीकंडक्टर के बैंड आवश्यक रूप से सतह राज्यों के सापेक्ष एक स्थान के साथ संरेखित होंगे जो बदले में फर्मी स्तर (उनके उच्च घनत्व के कारण) पर पिन किए गए हैं, सभी धातु के प्रभाव के बिना।

कई व्यावसायिक रूप से महत्वपूर्ण अर्धचालकों (Si, Ge, GaAs) में फर्मी स्तर का पिनिंग प्रभाव मजबूत है। और इस प्रकार सेमीकंडक्टर उपकरणों के डिजाइन के लिए समस्या हो सकती है। उदाहरण के लिए, लगभग सभी धातुएं एन-टाइप जर्मेनियम के लिए एक महत्वपूर्ण शॉटकी बाधा और पी-टाइप जर्मेनियम के लिए एक ओमिक संपर्क बनाती हैं, क्योंकि वैलेंस बैंड एज धातु के फर्मी स्तर पर दृढ़ता से पिन किया जाता है। इस अनम्यता के समाधान के लिए अतिरिक्त प्रसंस्करण चरणों की आवश्यकता होती है जैसे कि बैंड को अनपिन करने के लिए एक मध्यवर्ती इन्सुलेटिंग परत जोड़ना। (जर्मेनियम के मामले में जर्मेनियम नाइट्राइड का प्रयोग किया गया है )

इतिहास
कॉपर सल्फाइड और आयरन सल्फाइड सेमीकंडक्टर्स के साथ संपर्क किए गए पारा (तत्व) धातु का उपयोग करके 1874 में फर्डिनेंड ब्राउन द्वारा धातु-अर्धचालक संपर्कों की सुधार संपत्ति की खोज की गई थी। सर जगदीश चंद्र बोस ने 1901 में मेटल-सेमीकंडक्टर डायोड के लिए अमेरिकी पेटेंट के लिए आवेदन किया था। यह पेटेंट 1904 में दिया गया था। ग्रीनलीफ़ व्हिटियर पिकार्ड|जी.डब्ल्यू. पिकार्ड ने 1906 में एक बिंदु-संपर्क डायोड | सिलिकॉन का उपयोग करके बिंदु-संपर्क दिष्टकारी पर एक पेटेंट प्राप्त किया। 1907 में, जॉर्ज डब्लू. पियर्स ने भौतिक समीक्षा  में एक पेपर प्रकाशित किया जिसमें कई अर्धचालकों पर कई धातुओं के स्पटरिंग द्वारा बनाए गए डायोड के सुधार गुणों को दिखाया गया था। मेटल-सेमीकंडक्टर डायोड रेक्टिफायर का उपयोग  जूलियस एडगर लिलियनफेल्ड  द्वारा 1926 में मेटल-सेमीकंडक्टर फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर के गेट के रूप में अपने तीन ट्रांजिस्टर पेटेंट में से पहले में प्रस्तावित किया गया था। मेटल/सेमीकंडक्टर गेट का उपयोग करने वाले क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर के सिद्धांत को 1939 में विलियम शॉक्ले द्वारा उन्नत किया गया था।

इलेक्ट्रानिक्स अनुप्रयोग में सबसे पहला मेटल-सेमीकंडक्टर डायोड 1900 के आसपास हुआ, जब रिसीवर (रेडियो) में कैट्स-व्हिस्कर डिटेक्टर|कैट्स व्हिस्कर रेक्टीफायर्स का इस्तेमाल किया गया। इनमें नुकीले टंगस्टन तार (बिल्ली की मूंछ के आकार में) होते थे, जिनकी नोक या बिंदु गैलिना (लेड सल्फाइड) क्रिस्टल की सतह के खिलाफ दबाया जाता था। पहला बड़ा क्षेत्र सुधारक 1926 के आसपास दिखाई दिया, जिसमें एक तांबे (I) ऑक्साइड सेमीकंडक्टर शामिल था जो तांबे के सबस्ट्रेट (सामग्री विज्ञान) पर ऊष्मीय रूप से उगाया जाता था। इसके बाद, सेलेनियम फिल्मों को सुधारक डायोड बनाने के लिए बड़े धातु सबस्ट्रेट्स पर वाष्पीकरण (निक्षेपण) किया गया। इन सेलेनियम सही करनेवाला  का उपयोग विद्युत शक्ति अनुप्रयोगों में प्रत्यावर्ती धारा को प्रत्यक्ष धारा में बदलने के लिए किया गया था (और अभी भी उपयोग किया जाता है)। 1925-1940 के दौरान, यूएचएफ रेंज में माइक्रोवेव का पता लगाने के लिए सिलिकॉन क्रिस्टल बेस के संपर्क में एक नुकीले टंगस्टन धातु के तार वाले डायोड को प्रयोगशालाओं में बनाया गया था। 1942 में फ्रेडरिक सेट्ज़ द्वारा पॉइंट-कॉन्टैक्ट रेक्टिफायर के लिए क्रिस्टल बेस के रूप में उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन के निर्माण के लिए द्वितीय विश्व युद्ध के कार्यक्रम का सुझाव दिया गया था और ई. आई डू पोंट डे नेमॉर्स कंपनी के प्रायोगिक स्टेशन द्वारा सफलतापूर्वक किया गया था।

धातु-अर्धचालक जंक्शन के सुधार की सही दिशा की भविष्यवाणी करने वाला पहला सिद्धांत 1939 में नेविल फ्रांसिस मोट द्वारा दिया गया था। उन्होंने सेमीकंडक्टर सतह अंतरिक्ष आवेश परत के माध्यम से बहुसंख्यक वाहकों के प्रसार और बहाव (दूरसंचार) धाराओं दोनों का समाधान खोजा। जिसे 1948 से मॉट बैरियर के नाम से जाना जाता है। वाल्टर एच. शोट्की और स्पेंके ने दाता आयन को शामिल करके मॉट के सिद्धांत को विस्तारित किया जिसका घनत्व अर्धचालक सतह परत के माध्यम से स्थानिक रूप से स्थिर है। इसने Mott द्वारा ग्रहण किए गए निरंतर विद्युत क्षेत्र को रैखिक रूप से क्षय करने वाले विद्युत क्षेत्र में बदल दिया। धातु के नीचे इस सेमीकंडक्टर स्पेस-चार्ज परत को शोट्की बैरियर के रूप में जाना जाता है। इसी तरह का एक सिद्धांत 1939 में डेविडॉव द्वारा भी प्रस्तावित किया गया था। हालांकि यह सुधार की सही दिशा देता है, यह भी साबित हो गया है कि एमओटी सिद्धांत और इसके स्कॉटकी-डेविडोव विस्तार सिलिकॉन धातु में गलत वर्तमान सीमित तंत्र और गलत वर्तमान-वोल्टेज सूत्र देते हैं। / सेमीकंडक्टर डायोड रेक्टीफायर्स। सही सिद्धांत हंस बेथे द्वारा विकसित किया गया था और उनके द्वारा एक एम.आई.टी. 23 नवंबर, 1942 की विकिरण प्रयोगशाला रिपोर्ट। बेथे के सिद्धांत में, धातु-अर्धचालक संभावित बाधा पर इलेक्ट्रॉनों के थर्मोनिक उत्सर्जन द्वारा वर्तमान सीमित है। इस प्रकार, धातु-अर्धचालक डायोड के लिए उपयुक्त नाम Schottky डायोड के बजाय Bethe डायोड होना चाहिए, क्योंकि Schottky सिद्धांत आधुनिक धातु-अर्धचालक डायोड विशेषताओं की सही भविष्यवाणी नहीं करता है। यदि मेटल-सेमीकंडक्टर जंक्शन पारे (तत्व) की एक बूंद (तरल) रखकर बनाया जाता है, जैसा कि कार्ल फर्डिनेंड ब्रौन ने किया था, एक सेमीकंडक्टर, जैसे सिलिकॉन पर, शॉटकी डायोड इलेक्ट्रिकल सेटअप में एक शॉटकी बैरियर बनाने के लिए - इलेक्ट्रोवेटिंग देखी जा सकती है, जहां बूंद बढ़ते वोल्टेज के साथ फैलती है। सेमीकंडक्टर में डोपिंग (सेमीकंडक्टर) प्रकार और घनत्व के आधार पर, छोटी बूंद का प्रसार पारा की छोटी बूंद पर लागू वोल्टेज के परिमाण और संकेत पर निर्भर करता है। इस प्रभाव को 'शोट्की इलेक्ट्रोवेटिंग' कहा गया है, जो प्रभावी रूप से इलेक्ट्रोवेटिंग और सेमीकंडक्टर प्रभाव को जोड़ता है। MOSFET (मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर) का आविष्कार 1959 में बेल लैब्स में मोहम्मद छुट्टी और डॉन कहंग द्वारा किया गया था, और 1960 में प्रस्तुत किया गया था। जिसे बाद में शॉट्की बैरियर कहा जाएगा। Schottky डायोड, जिसे Schottky-barrier डायोड के रूप में भी जाना जाता है, को वर्षों तक सिद्धांतित किया गया था, लेकिन 1960 के दौरान अटाला और कहंग के काम के परिणामस्वरूप पहली बार व्यावहारिक रूप से महसूस किया गया था।–1961. उन्होंने 1962 में अपने परिणाम प्रकाशित किए और अपने उपकरण को अर्धचालक-धातु उत्सर्जक के साथ गर्म इलेक्ट्रॉन ट्रायोड संरचना कहा। यह पहले मेटल-बेस ट्रांजिस्टर में से एक था। अटाला ने हेवलेट पैकर्ड  में रॉबर्ट जे आर्चर के साथ स्कॉटकी डायोड पर शोध जारी रखा। उन्होंने उच्च वैक्यूम जमाव धातु फिल्म रासायनिक वाष्प जमाव तकनीक विकसित की, और गढ़े हुए स्थिर वाष्पित / थूक वाले विद्युत संपर्क, जनवरी 1963 में अपने परिणाम प्रकाशित करना। उनका काम मेटल-सेमीकंडक्टर जंक्शन में एक सफलता थी और शोट्की बैरियर अनुसंधान, क्योंकि इसने पॉइंट-कॉन्टैक्ट डायोड में निहित सेमीकंडक्टर डिवाइस निर्माण की अधिकांश समस्याओं पर काबू पा लिया और व्यावहारिक स्कॉटकी डायोड का निर्माण करना संभव बना दिया।

यह भी देखें

 * शोट्की बैरियर