शोट्की बाधा

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कट-ओपन पैकेजिंग के साथ 1N5822 स्कॉटस्की डायोड सेमीकंडक्टिंग सिलिकॉन (केंद्र) धातु के एक इलेक्ट्रोड के विरुद्ध एक स्कॉटस्की बाधा बनाता है और दूसरे इलेक्ट्रोड के विरुद्ध एक ओमिक संपर्क बनाता है।

File:Schottky barrier zero bias.svg

शून्य बायस संतुलन पर n-प्रकार अर्धचालक स्कॉटस्की बैरियर के लिए बैंड आरेख के रूप में होते है, 'स्कॉटस्की बैरियर हाइट' की ग्राफिकल परिभाषा के साथ, Φ_B, इंटरफेसियल चालन बैंड कोर E_C के बीच अंतर और फर्मी स्तर E_F के रूप में होता है। पी-प्रकार शोट्की बैरियर के लिए, Φ_B E_F के बीच का अंतर होता है और वैलेंस बैंड कोर E_V.के रूप में होते है

स्कॉटस्की बाधा, जिसका नाम वाल्टर एच. स्कॉटस्की के नाम पर रखा गया है, एक धातु अर्धचालक जंक्शन पर बनने वाले इलेक्ट्रॉनों के लिए एक संभावित ऊर्जा अवरोध के रूप में होता है। स्कॉटस्की बाधाओं में दिष्टकारी रूप में विशेषताएं होती हैं। जो डायोड के रूप में उपयोग के लिए उपयुक्त होते है। स्कॉटस्की बैरियर की प्राथमिक विशेषताओं में से एक स्कॉटस्की की ऊंचाई होती हैं। जिसे Φ_B द्वारा चिह्नित किया जाता है। जिसे चित्र में दिखाया गया है और Φ_B का मान धातु और अर्धचालक के संयोजन पर निर्भर करता है

सभी मेटल- अर्धचालक जंक्शन एक सुधारक शोट्की बैरियर नहीं बनाते हैं; एक धातु-अर्धचालक जंक्शन जो बिना सुधार के दोनों दिशाओं में धारा का संचालन करता है, इस प्रकार संभवतः शोट्की बैरियर के बहुत कम होने के कारण इसे ओमिक संपर्क कहा जाता है।

भौतिकी का निर्माण

Main article: धातु अर्धचालक जंक्शन

जब किसी धातु को अर्धचालक के सीधे संपर्क में रखा जाता है, तो एक तथाकथित स्कॉटस्की बैरियर बन जाता है, जिससे विद्युत संपर्क में सुधार होता है। यह तब होता है जब अर्धचालक एन-प्रकार के अर्धचालक के रूप में होता है और इसकी कार्यप्रणाली धातु के कार्य से छोटी होती है और जब अर्धचालक (सेमिकंडक्टर) पी-प्रकार का होता है और कार्य फलन के बीच विपरीत संबंध होता है।

बैंड आरेख औपचारिकता के माध्यम से शॉटकी बाधा गठन के विवरण के आधार पर तीन महत्वपूर्ण धारणाओ के रूप में होता है

1. धातु और अर्धचालक के बीच संपर्क घनिष्ठ रूप में होना चाहिए और किसी अन्य भौतिक परत जैसे ऑक्साइड की उपस्थिति के बिना होना चाहिए।
2. धातु और अर्धचालक का कोई अंतःप्रसार नहीं किया जाता है।
3. दो सामग्रियों के बीच इंटरफेस में कोई अशुद्धियाँ नहीं होती है।

पहले सन्निकटन के लिए, एक धातु और एक अर्धचालक के बीच अवरोध की भविष्यवाणी स्कॉटस्की -मोट नियम द्वारा की जाती है, जो धातु-निर्वात कार्य फलन और अर्धचालक निर्वात इलेक्ट्रॉन आत्मीयता के अंतर के समानुपाती होता है। एक पृथक धातु के लिए, कार्य फलन $\Phi _{M}$ इसकी निर्वात ऊर्जा $E_{0}$ के बीच के अंतर के रूप में परिभाषित किया गया है, अर्थात् वह न्यूनतम ऊर्जा जो एक इलेक्ट्रॉन के पास स्वयं को पदार्थ से पूरी तरह से मुक्त करने के लिए होनी चाहिए और फर्मी ऊर्जा $E_{F}$, और यह निर्दिष्ट धातु का एक अपरिवर्तनीय गुणधर्म होता है

$$\Phi _{M}=E_{0}-E_{F}$$

दूसरी ओर अर्धचालक के कार्य फलन को इस प्रकार परिभाषित किया गया है,

$$\Phi _{S}=\chi +(E_{C}-E_{F})$$

जहाँ $\chi$ इलेक्ट्रॉन आत्मीयता के रूप में होता है, अर्थात निर्वात ऊर्जा और चालन बैंड के ऊर्जा स्तर के बीच का अंतर होता है। अर्धचालक के कार्य फलन को उसके इलेक्ट्रॉन संबंध के संदर्भ में वर्णित करना मूल्यवान होता है, क्योंकि यह अंतिम अर्धचालक का एक अपरिवर्तनीय मूलभूत गुण है, जबकि चालन बैंड और फर्मी ऊर्जा के बीच का अंतर डोपिंग अर्धचालक पर निर्भर करता है।

File:Msemictoghandsep.png

अलग होने पर ऊपर और अंतरंग संपर्क में होने पर नीचे धातु और अर्धचालक बैंड आरेख के रूप में होता है

जब दो अलग-अलग सामग्रियों को घनिष्ठ संपर्क में रखा जाता है, तो फर्मी स्तरों के बराबर कार्य फलन के मूल्यों के आधार पर एक सामग्री से दूसरी सामग्री में चार्ज की गति ग्रहण करता है। यह एक ऊर्जा अवरोध के निर्माण की ओर जाता है, क्योंकि सामग्री के बीच इंटरफेस में कुछ चार्ज एकत्र हो जाते हैं। इलेक्ट्रॉनों के लिए बाधा ऊंचाई $\Phi _{B_{n}}$मेटल वर्क फलन और अर्धचालक के इलेक्ट्रॉन संबंध के बीच अंतर के रूप में आसानी से गणना की जा सकती है,

$$\Phi _{B_{n}}=\Phi _{M}-\chi$$

जबकि छिद्रों के लिए अवरोध की ऊँचाई अर्धचालक के ऊर्जा अंतराल और इलेक्ट्रॉनों के लिए ऊर्जा अवरोध के बीच के अंतर के बराबर होती है

$$\Phi _{B_{p}}=E_{\text{gap}}-\Phi _{B_{n}}$$

वास्तव में, क्या हो सकता है कि आवेशित इंटरफ़ेस स्टेट्स फर्मी स्तर को एक निश्चित ऊर्जा मूल्य पर पिन कर सकते हैं, चाहे कार्य फलन मान दोनों वाहकों के लिए अवरोध ऊंचाई को प्रभावित करता हो। यह इस तथ्य के कारण है कि एक धातु के विरुद्ध अर्धचालक क्रिस्टल की रासायनिक समाप्ति उसके ऊर्जा अंतराल के भीतर इलेक्ट्रॉन स्टेट्स का निर्माण करती है। इन धातु-प्रेरित गैप स्टेट्स की प्रकृति और इलेक्ट्रॉनों द्वारा बैंड गैप के केंद्र को फर्मी स्तर पर पिन करने के लिए जाता है, यह प्रभाव जिसे फर्मी लेवल पिनिंग के रूप में जाना जाता है। इस प्रकार मेटल- अर्धचालक संपर्कों में शॉटकी बाधाओं की ऊंचाई अधिकांशतः शॉटकी-मोट नियम के विपरीत अर्धचालक या धातु कार्य फलनो के मूल्य पर थोड़ी निर्भरता के रूप में दिखती है। विभिन्न अर्धचालक इस फर्मी स्तर को अलग-अलग कोटि पर प्रदर्शित करते हैं, लेकिन एक प्रौद्योगिकी परिणाम यह है कि ओमिक संपर्क सामान्यतः सिलिकॉन और गैलियम आर्सेनाइड जैसे महत्वपूर्ण अर्धचालकों में बनाना कठिन होता है। गैर-ओमिक संपर्क धारा प्रवाह के लिए एक परजीवी प्रतिरोध प्रस्तुत करते हैं, जो ऊर्जा की खपत करता है और उपकरण के प्रदर्शन को कम करता है।

रेक्टिफाइंग गुण

एक रेक्टिफाइंग शॉटकी बैरियर में, बैरियर इतना अधिक होता है कि इंटरफ़ेस के पास अर्धचालक में एक कमी क्षेत्र होता है। यह अवरोध को एक उच्च प्रतिरोध प्रदान करता है जब उस पर छोटे वोल्टेज पूर्वाग्रह लागू होते हैं। बड़े वोल्टेज पूर्वाग्रह के अनुसार बैरियर के माध्यम से बहने वाली विद्युत धारा अनिवार्य रूप से तापायनिक उत्सर्जन के नियमों द्वारा नियंत्रित होती है, जो इस तथ्य के साथ संयुक्त रूप में होती है कि शोट्की बैरियर धातु के फर्मी स्तर के सापेक्ष तय होता है।

File:Schottky barrier forward bias.svg

Forward bias: thermally excited electrons are able to spill into the metal.

Reverse bias: The barrier is too high for thermally excited electrons to enter the conduction band from the metal.

• आगे के बायस के अनुसार, अर्धचालक में कई ऊष्मीय रूप से उत्तेजित इलेक्ट्रॉन होते हैं जो बैरियर के ऊपर से गुजरने में सक्षम होते हैं। बैरियर पर इन इलेक्ट्रॉनों का मार्ग बिना किसी इलेक्ट्रॉन के वापस आना विपरीत दिशा में एक करंट से मेल खाता है। पूर्वाग्रह के साथ धारा बहुत तेजी से बढ़ती है, चूंकि उच्च पूर्वाग्रहों पर अर्धचालक का श्रृंखला प्रतिरोध धारा को सीमित करना प्रारंभ कर सकता है।
• रिवर्स बायस के अनुसार, एक छोटा लीकेज करंट होता है क्योंकि धातु में कुछ ऊष्मीय रूप से उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों में बैरियर को पार करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है। शॉकली डायोड समीकरण के अनुसार पहले सन्निकटन के लिए यह धारा स्थिर होनी चाहिए, चूंकि निर्वात शोट्की प्रभाव के समान एक कमजोर बाधा कम होने के कारण धारा धीरे-धीरे रिवर्स बायस के साथ बढ़ती है। बहुत उच्च पूर्वाग्रहों पर, कमी क्षेत्र टूट जाता है।

नोट: उपरोक्त चर्चा एक एन-प्रकार अर्धचालक के लिए स्कॉटकी बाधा के लिए है; पी-प्रकार अर्धचालक के लिए समान नियम लागू होते हैं।

धारा -वोल्टेज संबंध गुणात्मक रूप से पी-एन जंक्शन के समान होते हैं, चूंकि भौतिक प्रक्रिया कुछ अलग रूप में होती है।

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एक बहुत ही उच्च स्कॉटस्की बैरियर के लिए (इस स्थितियों े में, लगभग बैंड गैप जितना ऊंचा), फॉरवर्ड बायस करंट को अल्पसंख्यक वाहक इंजेक्शन द्वारा ले जाया जाता है (सफेद तीर अर्धचालक के वैलेंस बैंड में एक इलेक्ट्रॉन छेद के इंजेक्शन को दर्शाता है)।

चालन मूल्य

तापायनिक उत्सर्जन निम्नानुसार तैयार किया जा सकता है

$$J_{th}=A^{**}T^{2}e^{-{\frac {\Phi _{B_{n,p}}}{k_{b}T}}}{\biggl (}e^{\frac {qV}{k_{b}T}}-1{\biggr )}$$

जबकि क्वांटम टनलिंग धारा घनत्व को त्रिकोणीय आकार के अवरोध के लिए (डब्ल्यू के बी सन्निकटन पर विचार करते हुए) व्यक्त किया जा सकता है,

$$J_{T_{n,p}}={\frac {q^{3}E^{2}}{16\pi ^{2}\hbar \Phi _{B_{n,p}}}}e^{\frac {-4\Phi _{B_{n,p}}^{3/2}{\sqrt {2m_{n,p}^{*}}}}{3q\hbar E}}$$

दोनों सूत्रों से यह स्पष्ट है कि धारा कंट्रिब्यूशंन इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों दोनों के लिए अवरोध ऊंचाई से संबंधित होता है। यदि n और p दोनों वाहकों के लिए एक सममित धारा प्रोफ़ाइल की आवश्यकता है, तो इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के लिए अवरोध की ऊँचाई आदर्श रूप से समान होनी चाहिए।

माइनॉरिटी वाहक इंजेक्शन

बहुत उच्च स्कॉटस्की बाधाओं के लिए जहां Φ_B अर्धचालक के बैंड गैप का एक महत्वपूर्ण अंश के रूप में होता है, इसके अतिरिक्त फॉरवर्ड बायस करंट को शोट्की बैरियर के नीचे ले जाया जा सकता है, अर्धचालक में अल्पसंख्यक वाहक के रूप में होता है। इसका एक उदाहरण बिंदु-संपर्क ट्रांजिस्टर में देखा जाता है।

उपकरण

स्कॉटस्की डायोड एक एकल धातु-अर्धचालक जंक्शन के रूप में होता है, जिसका उपयोग इसके सुधारक गुणों के लिए किया जाता है। स्कॉटस्की डायोड अधिकांशतः सबसे उपयुक्त प्रकार के डायोड होते हैं, जब कम वोल्टेज ड्रॉप वांछित रूप में होता है, जैसे उच्च दक्षता डीसी विद्युत् की आपूर्ति में होती है। इसके अतिरिक्त, उनके बहुसंख्यक -वाहक चालन तंत्र के कारण, शॉटकी डायोड पी-एन जंक्शन डायोड की तुलना में अधिक स्विचिंग गति प्राप्त कर सकते हैं, जिससे उन्हें उच्च आवृत्ति संकेतों को सुधारने के लिए उपयुक्त रूप में हो जाते हैं।

एक दूसरे अर्धचालक /मेटल इंटरफेस और दोनों जंक्शनों को ओवरलैप करते हुए एक गेट स्टैक प्रस्तुत करते हुए, एक स्कॉटस्की बैरियर क्षेत्र इफेक्ट ट्रांजिस्टर (एसबी-एफईटी) प्राप्त कर सकता है। गेट चैनल के अंदर वाहक इंजेक्शन को चलाता है, जो इंटरफ़ेस पर बैंड को मोड़ता है और इस प्रकार शोट्की बाधाओं का प्रतिरोध करता है। सामान्यतः धारा के लिए सबसे महत्वपूर्ण प्रतिरोधी पथ स्कॉटस्की बाधाओं द्वारा दर्शाया जाता है और इसलिए ट्रांजिस्टर चालू होने पर चैनल स्वयं चालन में महत्वपूर्ण कंट्रिब्यूशंन नहीं देता है। इस तरह के उपकरण में एक द्विध्रुवीय व्यवहार होता है, क्योंकि जब दोनों जंक्शनों पर एक सकारात्मक वोल्टेज लागू होती है, तो उनका बैंड आरेख नीचे की ओर मुड़ा होता है, जिससे स्रोत से नाली तक एक इलेक्ट्रॉन प्रवाह एक की उपस्थिति को सक्षम किया जा सकता है। प्रत्यक्ष क्वांटम टनलिंग के कारण $V_{DS}$ वोल्टेज सदैव निहित होता है। दोनों जंक्शनों पर लगाए गए एक नकारात्मक वोल्टेज के विपरीत स्थितियों में बैंड आरेख ऊपर की ओर मुड़ा हुआ है और छिद्रों को इंजेक्ट किया जा सकता है और नाली से स्रोत तक प्रवाहित किया जा सकता है। गेट वोल्टेज को 0 V पर सेट करना टनलिंग करंट को दबा देता है और तापायनिक उत्सर्जन घटनाओं के कारण केवल कम करंट को सक्षम करता है। ऐसे उपकरण की मुख्य सीमाओं में से एक इस धारा की उपस्थिति से दृढ़ता से संबंधित होती है, जिससे इसे ठीक से बंद करना कठिन हो जाता है। इस तरह के उपकरण का एक स्पष्ट लाभ यह है कि चैनल डोपिंग अर्धचालक की कोई आवश्यकता नहीं होती है और थर्मल बजट को कम रखते हुए आयन आरोपण और एनीलिंग धातु विज्ञान जैसे महंगे प्रौद्योगिकी कदमों से बचा जा सकता है। चूँकि नाली और गेट के बीच वोल्टेज के अंतर के कारण बैंड का झुकना अधिकांशतः पर्याप्त वाहकों को इंजेक्ट करता है, जिससे उपकरण का उचित स्विच ऑफ असंभव हो जाता है। इसके अतिरिक्त स्कॉटस्की संपर्कों के आंतरिक प्रतिरोध के कारण निम्न धाराएं भी इस प्रकार की डिवाइस की विशेषता है जैसे जंक्शन क्षेत्र के कठिन नियंत्रण के कारण अत्यंत कठिन और अविश्वसनीय माघ्यता के विशिष्ट स्वरूप होते है ।

File:G12922.png

एसबीएफईटी संचालन के बैंड आरेख। बाएं से दाएं: ऋणात्मक लागू वोल्टेज बैंड आरेख को मोड़ता है जिससे होल टनलिंग करंट (पी-टाइप) सक्षम होता है; बिना किसी वोल्टेज के लागू वाहक (ऑफ-स्टेट) के लिए केवल तापायनिक उत्सर्जन की अनुमति है; एक सकारात्मक गेट वोल्टेज इलेक्ट्रॉनों को नीचे की ओर बैंड बेंडिंग (एन-टाइप) के कारण सुरंग बनाने में सक्षम बनाता है।

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स्कॉटस्की ट्रांजिस्टर प्रभावी सर्किट

द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर, जिसमें आधार और कलेक्टर के बीच में एक स्कॉटस्की अवरोध होता है, जिसे एक स्कॉटस्की ट्रांजिस्टर के रूप में जाना जाता है। चूंकि स्कॉटस्की बैरियर का जंक्शन वोल्टेज छोटा होता है, ट्रांजिस्टर को बहुत गहराई से संतृप्त होने से रोका जाता है, जिससे स्विच के रूप में उपयोग किए जाने पर गति में सुधार होता है। यह स्कॉटस्की और विकसित स्कॉटस्की ट्रांजिस्टर टीटीएल परिवारों के साथ-साथ उनके कम विद्युत शक्ति के वेरिएंट का आधार है।

मेफेट या मेटल अर्धचालक फेट एक रिवर्स पक्षपातपूर्ण स्कॉटकी बाधा का उपयोग करता है अर्धचालक क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर एक कमी क्षेत्र प्रदान करने के लिए करता है, जो अर्धचालक के अंदर दबे एक कंडक्टर चैनल को बंद कर देता है जेएफईटी के समान जहां इसके अतिरिक्त पी-एन जंक्शन अवक्षय क्षेत्र प्रदान करता है। इस उपकरण का एक प्रकार उच्च-इलेक्ट्रॉन-गतिशीलता ट्रांजिस्टर एचईएमटी के रूप में होता है, जो अत्यधिक उच्च चालकता वाला उपकरण प्रदान करने के लिए एक विषमता का भी उपयोग करता है।

एक स्कॉटस्की बैरियर कार्बन नैनोट्यूब क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर धातु और एक कार्बन नैनोट्यूब के बीच गैर-आदर्श संपर्क का उपयोग करके एक स्कॉटस्की बैरियर बनाता है, जिसका उपयोग अद्वितीय यांत्रिक और इलेक्ट्रॉनिक गुणों वाले अत्यंत छोटे स्कॉटस्की डायोड ट्रांजिस्टर और इसी तरह के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को बनाने के लिए किया जाता है। .

अर्धचालक की विशेषता के लिए स्कॉटस्की बाधाओं का भी उपयोग किया जाता है। शोट्की बैरियर के रिक्तीकरण क्षेत्र में डोपेंट के रूप में आयनित रहते हैं और एक अंतरिक्ष आवेश को जन्म देते हैं, जो इसके परिणामस्वरूप जंक्शन के धारिता को जन्म देते हैं। धातु-अर्धचालक इंटरफ़ेस और रिक्त क्षेत्र की विपरीत सीमा दो संधारित्र प्लेटों की तरह कार्य करते हैं, जिसमें कमी क्षेत्र एक रिक्तीकरण क्षेत्र के रूप में कार्यकारी के साथ जंक्शन पर वोल्टेज लागू करने से घटती चौड़ाई में परिवर्तन होता है और धारिता वोल्टेज प्रोफाइलिंग में उपयोग की जाने वाली धारिता को बदलना संभव होता है। वोल्टेज में परिवर्तन की गति का विश्लेषण करके संधारित्र द्वारा डोपैंट्स और अन्य दोषों के बारे में जानकारी प्राप्त करना संभव होता है। यह एक प्रदयोगिकीय है जिसे गहरे स्तर की क्षणिक स्पेक्ट्रोस्कोपी के रूप में जाना जाता है।

यह भी देखें

• ओमिक संपर्क
• शोट्की डायोड के रूप में होती है
• डायोड
• धातु से प्रेरित गैप स्टेट्स के रूप में होती है
• मेमिस्टर
• इलेक्ट्रोवेटिंग के रूप में होती है