धातु-अर्धचालक जंक्शन

ठोस-अवस्था भौतिकी में, एक धातु-अर्धचालक (एम-एस) जंक्शन विशेष प्रकार का जंक्शन (अर्धचालक) होता है जिसमें कोई धातु एक अर्धचालक सामग्री के निकट संपर्क में आती है। यह सबसे पुराना व्यावहारिक अर्धचालक उपकरण है। एम-एस जंक्शन या तो दिष्टकारी या गैर-संशोधित जंक्शन हो सकते हैं। गैर-दिष्टकारी धात्विक-अर्धचालक जंक्शन एक शोट्की बाधा निर्मित करता 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 दिष्टकारी अर्धचालक-अर्धचालक जंक्शन, आज सबसे साधारण 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। सामान्यतः इसमें एक ओमिक संपर्क वांछित होता है, जिससे कि एक ट्रांजिस्टर के सक्रिय क्षेत्र और बाहरी परिपथ 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 के द्वारा उपयोगी होती है।

महत्वपूर्ण पैरामीटर: शोट्की अवरोध ऊंचाई
ΦB, जंक्शन का कोई दिया गया धातु-अर्धचालक जंक्शन एक ओमिक संपर्क है या एक स्कॉटकी बाधा शॉटकी बाधा ऊंचाई पर निर्भर करता है। पर्याप्त रूप से विस्तृत शोट्की अवरोध ऊंचाई के लिए, अर्थात, ΦB ऊष्मीय ऊर्जा kT से काफी अधिक है। अर्धचालक धातु के पास कमी क्षेत्र है और एक शॉटकी बाधा के रूप में व्यवहार करता है। शोट्की अवरोध की कम ऊंचाई के लिए, अर्धचालक समाप्त नहीं होता है और इसके अतिरिक्त धातु के लिए एक ओमिक संपर्क निर्मित करता है।

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

जहां Eg अर्धचालक का ऊर्जा अंतराल है।

प्रकृति में, शोट्की अवरोध की ऊँचाई अंतरापृष्ठ के पार सटीक रूप से स्थिर नहीं होती है, और अंतरापृष्ठ की सतह पर भिन्न होती है।

शोट्की-मोट नियम और फर्मी लेवल पिनिंग
शोट्की अवरोध गठन का वाल्टर एच. शोट्की-नेविल मॉट नियम अर्धचालक के निर्वात इलेक्ट्रान बन्धुता (या निर्वात आयनीकरण ऊर्जा) के सापेक्ष धातु के निर्वात फलन का कार्य के आधार पर शोट्की अवरोध ऊंचाई की पूर्व संकल्पना करता है।
 * $$\Phi_{\rm B}^{(n)} \approx \Phi_{\rm metal} - \chi_{\rm semi}$$

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

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

जहां Eऊर्जा अंतराल अर्धचालक 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 पूर्व संकल्पना 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 अर्धचालक के गैप के अंदर ऊर्जा के साथ अंतरापृष्ठ पर अर्धचालक में प्रभार्य अवस्थाएँ हों। ये या तो धातु और अर्धचालक (धातु-प्रेरित गैप स्टेट्स) के प्रत्यक्ष रासायनिक बंधन के समय प्रेरित होंगे या अर्धचालक-निर्वात सतह (सतह अवस्थाों) में पहले से उपलब्ध होंगे। ये अत्यधिक सघन सतह अवस्था धातु से दान की गई बड़ी मात्रा में आवेश को अवशोषित करने में सक्षम होंगे, धातु के विवरण से अर्धचालक को प्रभावी ढंग से बचाएंगे। परिणाम स्वरुप, अर्धचालक के बैंड आवश्यक रूप से सतह अवस्थाों 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 रासायनिक बंधन के समय प्रेरित होंगे।

कई व्यावसायिक रूप से महत्वपूर्ण अर्धचालकों (Si, Ge, GaAs) में फर्मी स्तर का पिनिंग प्रभाव मजबूत है। और इस प्रकार अर्धचालक 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 संयोजक 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 सन्दर्भ में जर्मेनियम नाइट्राइड का प्रयोग किया गया है )

इतिहास
कॉपर सल्फाइड और आयरन सल्फाइड अर्धचालक्स 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 धात्विक-अर्धचालक 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। धात्विक-अर्धचालक डायोड रेक्टिफायर का उपयोग जूलियस एडगर लिलियनफेल्ड द्वारा 1926 में धात्विक-अर्धचालक फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर के गेट के रूप में अपने तीन ट्रांजिस्टर पेटेंट में से पहले में प्रस्तावित किया गया था। धात्विक/अर्धचालक 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 धात्विक-अर्धचालक डायोड 1900 के आसपास हुआ, जब रिसीवर (रेडियो) में कैट्स-व्हिस्कर दिष्टकारी का उपयोग 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 विपरीत दबाया जाता था। पहला बड़ा क्षेत्र दिष्टकारी 1926 के आसपास दिखाई दिया, जिसमें एक तांबे (I) ऑक्साइड अर्धचालक सम्मिलित था जो तांबे के कार्यद्रव्य (सामग्री विज्ञान) पर ऊष्मीय रूप से उगाया जाता था। इसके बाद, सेलेनियम फिल्मों को दिष्टकारी डायोड बनाने के लिए विस्तृत धातु कार्यद्रव्य पर वाष्पीकरण (निक्षेपण) किया गया। इन सेलेनियम 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 समय, 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 परीक्षण किया गया था।

धातु-अर्धचालक जंक्शन के सुधार की सही दिशा की पूर्व संकल्पना करने वाला पहला सिद्धांत 1939 में नेविल फ्रांसिस मोट द्वारा दिया गया था। उन्होंने अर्धचालक सतह अंतरिक्ष आवेश परत के माध्यम से बहुसंख्यक वाहकों के प्रसार और बहाव (दूरसंचार) धाराओं दोनों का समाधान खोजा। जिसे 1948 से मॉट अवरोध के नाम से जाना जाता है। वाल्टर एच. शोट्की और स्पेंके ने दाता आयन को सम्मिलित करके मॉट के सिद्धांत को विस्तारित किया जिसका घनत्व अर्धचालक सतह परत के माध्यम से स्थानिक रूप से स्थिर है। इसने मॉट द्वारा ग्रहण किए गए निरंतर विद्युत क्षेत्र को रैखिक रूप से क्षय करने वाले विद्युत क्षेत्र में बदल दिया। धातु के नीचे इस अर्धचालक स्पेस-चार्ज परत को शोट्की अवरोध 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 प्रमाणित 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। अर्धचालक डायोड दिष्टकारी। 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 ऊष्मीय उत्सर्जन द्वारा वर्तमान सीमित है। इस प्रकार, धातु-अर्धचालक डायोड के लिए उपयुक्त नाम शोट्की डायोड के अतिरिक्त बेथे डायोड होना चाहिए, क्योंकि शोट्की सिद्धांत आधुनिक धातु-अर्धचालक डायोड विशेषताओं की सही पूर्व संकल्पना नहीं करता है। यदि धात्विक-अर्धचालक जंक्शन पारे (तत्व) की एक बूंद (तरल) रखकर बनाया जाता है, जैसा कि कार्ल फर्डिनेंड ब्रौन ने किया था, तो एक अर्धचालक जैसे सिलिकॉन पर, शॉटकी डायोड विद्युत सेटअप में एक शॉटकी अवरोध बनाने के लिए - इलेक्ट्रोवेटिंग देखी जा सकती है, जहां बूंद बढ़ते वोल्टेज के साथ फैलती है। अर्धचालक में डोपिंग (अर्धचालक) 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 अर्धचालक प्रभाव को जोड़ता है। मोसफेट (धात्विक-ऑक्साइड-अर्धचालक फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर) का आविष्कार 1959 में बेल लैब्स में मोहम्मद और डॉन कहंग द्वारा किया गया था, और 1960 में प्रस्तुत किया गया था। जिसे बाद में शॉट्की अवरोध कहा जाएगा। शोट्की डायोड, जिसे शोट्की-अवरोध डायोड के रूप में भी जाना जाता है, जिसको वर्षों तक सिद्धांतित किया गया था, लेकिन 1960 के समय अटाला और कहंग के काम के परिणामस्वरूप पहली बार व्यावहारिक रूप से महसूस किया गया था।. उन्होंने 1962 में अपने परिणाम प्रकाशित किए और अपने उपकरण को अर्धचालक-धातु उत्सर्जक के साथ गर्म इलेक्ट्रॉन ट्रायोड संरचना कहा। यह पहले धात्विक-बेस ट्रांजिस्टर में से एक था। अटाला ने हेवलेट पैकर्ड में रॉबर्ट जे आर्चर के साथ स्कॉटकी डायोड पर शोध जारी रखा। उन्होंने उच्च निर्वात 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 धात्विक-अर्धचालक जंक्शन में एक सफलता थी और शोट्की अवरोध अनुसंधान, क्योंकि इसने पॉइंट-कॉन्टैक्ट डायोड में निहित अर्धचालक डिवाइस निर्माण की अधिकांश समस्याओं पर काबू पा लिया और व्यावहारिक स्कॉटकी डायोड का निर्माण करना संभव बना दिया।

यह भी देखें

 * शोट्की अवरोध