Contact Metal/SC

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CONTACT MÉTAL SEMICONDUCTEUR
Diode Schottky
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Contact Métal/SC: diode Schottky
• Plusieurs applications:
• Interconnexions
• Contact Ohmique
• Diode à barrière Schottky
• Survol des jonctions Isolant/SC
• Comparaison PN vs Schottky
Les interconnexions
• Actuellement, 6 à 8 niveaux
de métal sur les « puces »
(=> 10)
• Problèmes :
• Retards du signal
• Échauffement
• Compatibilité/ diffusion
avec le dispositif
• Utilisation croissante de la
technologie « cuivre ».
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Les interconnexions
• Matériau à faible
constante diélectrique
« low k »
C  S
d
R  l
S
• Résistivité les plus
faibles possibles : filière
Cu
 RC
4
5
6
intel
Empilement de couches métal
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Diode Schottky
• Quelques définitions (2!)
• Travail de sortie e M
: Le travail de sortie est l’énergie qu’il
faut fournir à un électron dans le métal pour l’extraire du métal. On
l’appellera e M et son unité sera l’électronvolt. Il est définit
comme la différence entre le niveau de vide et le niveau de Fermi
dans le métal.
• Affinité électronique
:l’affinité électronique qui est
SC
la différence d’énergie entre le niveau de vide et la bande de
conduction BC.

e
Diode Schottky
• Formation du contact:
• Ici
e M  e SC
• Apparition d’une barrière
énergétique pour les électrons du
métal :
e b  e M  e SC
• Apparition d’une barrière
énergétique pour les électrons du
SC :
eVbi  eVd  e M  e SC  e MS
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Contact ohmique ou redresseur ?
« ohmique »
e m  e s
Semi-conducteur type n
« redresseur »
em  e s
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Contact ohmique ou redresseur ?
« ohmique »
e m  e s
Semi-conducteur type p
« redresseur »
em  e s
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Contact ohmique ou redresseur ?
• Mais présence d’états d’interface qui
change le problème « simpliste » ci
dessus
Diode Schottky: états d’interfaces
e b  e M  e SC
e b  E g  e 0  cte
eVbi  eVd  e M  e SC  e MS
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Contacts Ohmiques
• « arrivée » des interconnexions sur le dispositifs.
• Un contact ohmique:
• Pas de chute de potentiel
• résistance au courant la plus faible possible
• Comment ?
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Contacts Ohmiques
• réalisation d’un contact
ohmique
• Il faut sur-doper le SC à
l’interface
• Le courant passe
essentiellement par effet
« tunnel ».
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Caractéristiques Capacité – Tension C(V).
• Résultats identiques à une
jonction P+N:
 ( x)
d 2V ( x)


 SC
dx 2
E ( x)  
eN d
 SC
(x  W )
W
eN d x 2
V ( x)  
(  Wx)
 SC 2
2 SC (Vbi  V )
eN d
1
2
 e SC N d 
 SC A
dQ
CA
 A


dV
2
(
V
V
)
W

 bi

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Courant dans une diode Schottky :I(V)
• Plusieurs mécanismes
responsables du courant:
• Courant thermo-ionique
• Courant tunnel (SC fortement
dopé)
• Différence fondamentale
par rapport diode PN:
• Courant direct  courant de
majoritaires !!
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Courant dans une diode Schottky :I(V)
Courant thermoïonique: les électrons qui arrivent à
franchir la barrière e(Vbi-V) forment ce courant:
 e(Vbi  V ) 
nb  n0 exp 

kT


avec
 E  EF 
n0  N C exp  C
kT 

Soit encore :
 e( b  V ) 
 EC  E F  Vbi  V 
nb  N C exp 
 N C exp 


kT
kT




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Courant dans une diode Schottky :I(V)
• On peut montrer (Singh) que le flux d’électrons
franchissant la barrière de potentiel est  v  n 4 où
 v  est la vitesse moyenne des électrons .
b

Le courant d’électrons du semi-conducteur vers le
métal est alors simplement donné par :
I SM (V ) 

ev A
 e( b  V ) 
N C exp 

kT
4


Si la tension de polarisation est nulle, il y a
équilibre entre le courant M -> SC et le courant
SC -> M, le courant est nul.
I MS
ev A
 e(  b ) 
  I SM (0)  
N C exp 

4
 kT 
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Courant dans une diode Schottky :I(V)
• Si on polarise le système, IMS = cte = IS et le courant
est donné par:
I  I SM  I MS

 eV  
 I S  exp    1
 kT  

Ce qui se réécrit ( dans la statistique de MB):
 m * ek 2  2
 e b
I  A 2 3 T exp 
 kT
 2  
constante de Richardson

   eV  
 exp    1
   kT  
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Courant dans une diode Schottky :I(V)
• L’autre composante majeure du courant:
• L’effet tunnel (cas de diode fortement dopée)
I tunnel
eV
 AJ exp( )
E0
t
0
avec
E 0  f ( N d , m * ,...)
Circuit équivalent en petits signaux
• Éléments du circuit équivalent:
• Résistance dynamique
dV
Rd 
dI
• Capacité différentielle ou de
jonction
 eN d  SC 

C d  A
2
(
V

V
)
bi


1
2
Cs
• Résistance série de la diode
RS  Rcontacts  RRN
• Inductance parasite
LS
• Capacité « géométrique » de la
diode
C géom 
 SC A
L
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Comparaison PN vs Schottky
Diode p-n
Courant inverse fct des
majoritaires => forte
dépendance en température
Diode Schottky
Courant inverse fonction de
majoritaires qui « saute » la
barrière  dépendance en
température plus faible
Courant direct fct des
minoritaires injectés depuis
les régions n et p
Courant direct fct des
majoritaires
Nécessité de polariser le
« dispo » pour mise en
.conduction
Tension de mise en
conduction faible
Commutation contrôlée par
la recombinaison (disparition)
des porteurs minoritaires
Commutation contrôlée par
Thermalisation des électrons
Injectés => qq pico-secondes
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hétérojonction
• Contact entre 2 matériaux semiconducteurs différents  gaps
différents  discontinuité des bandes à la jonction.
EC  e(  n   p )
EC  EV  E g
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Mise à l’équilibre SC(n)/Sc(P)
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Mise à l’équilibre SC(n)/Sc(N)
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Création d’un gaz électronique
bidimensionnel