Metal-yarıiletken yapılarda akım iletimi genellikle çoğunluk taşıyıcıları ile gerçekleşir. Sıcaklık, arayüzey durumları, seri direnç ve metal ile yarıiletken arasındaki yalıtkan tabaka nedeniyle akım iletim mekanizması MS ve MIS yapılarda farklılık gösterir. Bu yapılarda geçerli olabilecek akım iletim mekanizmaları şunlardır; Termoiyonik Emisyon (TE), Difüzyon, Termoiyonik Emisyon-Difüzyon, Kuantum Mekaniksel Tünelleme (TAE, AE, çok katlı tünelleme), Üretilme-Yeniden Birleşme (Generation-Rekombination), Azınlık Taşıyıcı Konsantrasyonu ve T0 etkili akım iletimi
[(Sharma 1984), (Sze ve Ng 2007)]. Şekil 3.9.’da metal/ n tipi yarıiletkenin doğru beslem altında başlıca akım iletim mekanizmaları gösterilmiştir.
31
Şekil 3.9. Doğru beslemde metal/n-tipi yarıiletken yapıların farklı akım-iletim kuramları: (1)
Termoiyonik emisyon, (2) Tünelleme, (3) Tekrar birleşme, (4) Elektronların difüzyonu, (5) Boşlukların difüzyonu
Bir Schottky kontağında hangi kuramın geçerli olduğunu saptamak çoğu kez kolay değildir. Akım-iletim kuramı; yüzey durumları, uygulanan gerilim ve kontak bölgesinde oluşan elektrik alan tarafından belirlenir (Pakma 2008).
-Termoiyonik Emisyon Teorisi (TE)
Schottky kontaklarda bir potansiyel engeli üzerinden elektron taşınması prosedürü termoiyonik emisyon teorisi ile ifade edilmektedir. Metal/yarıiletken Schottky diyotlarda termoiyonik emisyon teorisi taşıyıcıların termal enerjilerinden ötürü potansiyel engelini aşarak yarıiletkenden metale veya metalden yarıiletkene geçmesi olayıdır. Schottky diyotlarda akım, çoğunluk taşıyıcıları tarafından sağlanır. Metal/n-tipi yarıiletken Schottky diyotlarda elektronlar, metal/p-tipi yarıiletken Schottky diyotlarda ise boşluklar akımı sağlar. Termoiyonik emisyon teorisi oluşturulurken, Maxwell- Boltzmann yaklaşımının uygulanabilmesi ve termal denge durumunun olaydan etkilenmemesi için doğrultucu kontağa ait potansiyel engelinin, kT enerjisinden daha büyük olduğu ve arınma bölgesindeki taşıyıcı çarpışmalarının çok küçük olduğu göz önünde bulundurulmaktadır.
32
Şekil 3.10. İmaj-Kuvvet etkisinin dâhil edildiği doğru beslem altında metal-yarıiletken eklemin
enerji-band diyagramı
Şekil.3.10.’da V büyüklüğünde düz beslem gerilimi uygulanmış bir Schottky kontak görülmektedir. Burada metalden yarıiletkene, ise yarıiletkenden metale
doğru olan akım yoğunluğudur. Akım yoğunluğu, x yönünde ve engeli aşabilecek büyüklükte hızlara sahip elektronların konsantrasyonunun bir fonksiyonudur. Bu nedenle,
(3.30)
şeklinde yazılabilir. Burada metal içindeki termoiyonik emisyon için gerekli minimum enerji, taşınma yönündeki hızdır. Artan elektron konsantrasyonu,
33
ile verilir. Burada , iletkenlik bandındaki hal yoğunluğu ve , Fermi-Dirac ihtimaliyet fonksiyonudur. Maxwell-Boltzmann yaklaşımı uygulanarak elektron konsantrasyonu için, (3.32)
yazılabilir. enerjisi serbest elektronun kinetik enerjisi olarak kabul edilirse, bu durumda, (3.33) (3.34) ve (3.35)
olur. Bu sonuçlar kullanıldığında (3.32) ifadesi,
(3.36)
olarak elde edilir. Bu denklem, hızları ve aralığında değişen elektronların sayısını verir. Hız, bileşenlerine ayrılırsa;
(3.37)
şeklinde olur. Buradan (3.30) ifadesi,
(3.38)
34
biçiminde yazılabilir. hızı potansiyel engeli üzerinden gitmek için x-yönünde gerekli olan minimum hızdır. Denklem (3.39), (3.40) ve (3.41) deki tanımlar yardımıyla denklem (3.38) deki değişkenleri değiştirebiliriz;
(3.39) (3.40) (3.41)
Ayrıca minimum hızı için,
(3.42)
ifadesi yazılabilir. Bu durumda koşulu için olur. Yine
yazılabilir. Bu ifadeler (3.38) denkleminde kullanıldığında;
(3.43)
Bu son ifadenin integrali alınırsa;
(3.44) Ya da, (3.45)
Şekline dönüşür. Metalden yarıiletkene elektron yoğunluğu , uygulanan beslem sıfır olduğu zaman ile tamamen aynıdır. Böylece,
35
(3.46)
Şeklinde olur.metal-yarıiletken eklemindeki net akım yoğunluğu,
(3.47)
Şeklindedir. Burada metalden yarıiletkene doğru olan yön pozitif olarak tanımlanmıştır. Böylece daha açık bir ifadeyle net akım yoğunluğu;
(3.48)
olur. Burada A* parametresi termoiyonik emisyon için etkin Richardson sabiti olup,
(3.49)
ile verilir. Genel bir durum için (3.48) ifadesi,
(3.50)
Şeklinde yazılabilir. Burada ters beslem doyma akım yoğunluğudur ve
(3.51)
Bağıntısıyla verilir. Schottky engel yüksekliğinin imaj kuvveti nedeniyle azaldığı ve
(3.52)
şeklinde verildiği dikkate alınarak (3.51) denklemi yeniden yazılırsa,
(3.53)
şeklinde yazılır. Engel yüksekliğindeki değişimi, artan elektrik alanla ya da ters beslem gerilimi ile artacaktır (Neamen 2003).
-Difüzyon Teorisi
Schottky‟nin ortaya atmış olduğu bu teori, a) Engel yüksekliğinin kT enerjisinden çok daha büyük olduğu, b) Tükenim (deplasyon) bölgesinde elektron
36
çarpışmasının etkin olduğu, c) Deplasyon bölgesinin sınırlarında taşıyıcı konsantrasyonlarının akım akışından etkilenmediği, d) Yarıiletkenin kirlilik konsantrasyonunun dejenere olmadığı varsayımlarına dayanmaktadır (Sze 1981).
Varsayımlar doğrultusunda deplasyon bölgesinde akım, yerel alan ve konsantrasyon gradyentine bağlı olduğundan akım yoğunluğu denklemi kullanılır. Akım yoğunluğu: (3.54)
şeklindedir. Burada elektron yoğunluğu elektron mobilitesi, elektron difüzyon sabiti ve Schottky bölgesindeki elektrik alanıdır. Buna göre difüzyon kuramında akım ifadesi,
(3.55)
İle verilir. Burada , doyum akım yoğunluğu olup,
(3.56)
şeklinde ifade edilir. Burada iletkenlik bandındaki etkin taşıyıcı yoğunluğu, difüzyon gerilimi, verici konsantrasyonu, yarıiletkenin dielektrik geçirgenliğidir. Bu iki kuramdan elde edilen ifadeler birbirine çok benzer, bununla birlikte difüzyon kuramının doyum akım yoğunluğu, voltaj ile daha çabuk değişir fakat sıcaklığa bağlılığı TE’deki doyum akım yoğunluğuna göre daha küçüktür.
-Termiyonik Emisyon-Difüzyon Teorisi
Crowell ve Sze, TE ve difüzyon teorisini birleştirerek Termoiyonik emisyon difüzyon teorisini geliştirdiler (Sze 1981). Teori MS arayüzey kenarında tanımlanmış olan vr rekombinasyon hızı üzerine kurulmuştur. Metal ile yarıiletken gövde arasına uygulanan gerilim, metale dogru bir elektron akısına neden olur. Taşıyıcıların bir kısmı optik fonon geri saçılmalarına bir kısmı da kuantum mekaniksel yansımalara uğradığından akım degeri azalır. Sze (1981), bunun nedenini rekombinasyon hızındaki azalmaya bağlamıştır. Termiyonik emisyon difüzyon teorisine göre elektronlar MS arayüzeyinde optik fononlarla etkileşmeksizin potansiyel engel üzerinden salınma
37
olasılığı ve ortalama iletim katsayısı değeri göz önüne alınarak Richardson sabiti
olarak değişir. Buna göre en genel akım-gerilim (I-V) ifadesi,
(3.57)
ile verilir. Burada sıcaklık, n diyodun idealite faktörü ve doyma akım yoğunluğu olup,
(3.58)
şeklinde ifade edilir. , düzenlenmiş etkin Richardson sabitidir. , engel yüksekliğinin
sıcaklıkla değişim katsayısı olmak üzere,
(3.59)
ile verilir. Eğer metal ile yarıiletken arasında yalıtkan bir oksit tabakası (MIS-MOS) varsa Richardson sabiti oksit tabakasına bağlı etkin değer alır ve yerine yalıtkan oksit tabakası nedeniyle alınır:
(3.60)
Burada , metal ile yarıiletken arasındaki yalıtkan oksit tabakanın kalınlığı, etkin kütle, Planck sabiti, ise yarıiletkenin elektron yakınlığıdır. Termoiyonik emisyon teorisine göre ideal bir Schottky diyotta n = 1’dir. İdeal diyottan sapmaları belirlemek amacıyla bir idealite faktörü, n tanımlanır. Buna göre akım yoğunluğu ifadesi:
(3.61)
şeklini alır. Burada n idealite faktörü 1’den uzaklaştıkça engel yüksekliğinin voltaja bağlılığı artmaktadır. İdealite faktörü yarıiletken ile dengede arayüzey durumları ( )
ve metal yarıiletken arasındaki yalıtkan oksit tabakasının kalınlığı ( ) cinsinden,
38
olarak ifade edilir. Bu denklemde ikinci terimin artması ile ideallikten uzaklaşılır. Yani idealite faktörü, hem yalıtkan tabaka kalınlığının artmasıyla hem de arayüzey durumlarının artması ile doğru olacak şekilde artmaktadır. Engel alçalması ve ’nın
alana bağımlı olması nedeniyle gerçek Schottky diyotlarında n idealite faktörü 1<n<1,2 arasında değer alır.