ในฟิสิกส์ของของแข็งรอยต่อโลหะ-สารกึ่งตัวนำ ( M-S ) เป็น รอยต่อทางไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่โลหะสัมผัสใกล้ชิดกับ วัสดุ สารกึ่งตัวนำ เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่ใช้งานได้จริงที่เก่าแก่ที่สุดรอยต่อ M-S สามารถเป็นได้ทั้งแบบเรียงกระแสหรือไม่เรียงกระแส รอย ต่อโลหะ-สารกึ่งตัวนำแบบเรียงกระแสจะสร้างสิ่งกีดขวางชอตต์กีทำให้เกิดอุปกรณ์ที่เรียกว่าไดโอดชอตต์กีในขณะที่รอยต่อแบบไม่เรียงกระแสเรียกว่าหน้าสัมผัสโอห์มิก [ ^{1 ] (} ในทางตรงกันข้าม รอยต่อสารกึ่งตัวนำ-สารกึ่งตัวนำแบบเรียงกระแส ซึ่งเป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่พบได้บ่อยที่สุดในปัจจุบัน เรียกว่ารอยต่อ p-n )

รอยต่อระหว่างโลหะและสารกึ่งตัวนำมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำงานของอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำทุกชนิด โดยปกติแล้ว มัก ต้องการ หน้าสัมผัสแบบโอห์มิกเพื่อให้ประจุไฟฟ้าสามารถไหลผ่านได้ง่ายระหว่างบริเวณทำงานของทรานซิสเตอร์และวงจรภายนอก อย่างไรก็ตาม ในบางครั้งกำแพงชอตต์กีก็มีประโยชน์ เช่น ในไดโอดชอตต์กี ทรานซิสเตอร์ชอตต์กีและทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กโลหะ-สารกึ่งตัวนำ

การที่รอยต่อโลหะ-สารกึ่งตัวนำจะเป็นหน้าสัมผัสโอห์มิกหรือเป็นสิ่งกีดขวางชอตต์กีนั้น ขึ้นอยู่กับความสูงของสิ่งกีดขวางชอตต์กี (ΦB ₎ของรอยต่อ สำหรับความสูงของสิ่งกีดขวางชอตต์กีที่มากพอ กล่าวคือ ΦB _สูงกว่าพลังงานความร้อนkT อย่างมีนัยสำคัญ สารกึ่งตัวนำจะเกิดการพร่องประจุใกล้กับโลหะและทำหน้าที่เป็นสิ่งกีดขวางชอตต์กี โดยทั่วไปค่านี้จะอยู่ระหว่าง 0.4 eV ถึง 0.7 eV สำหรับวัสดุเช่นซิลิคอน สำหรับความสูงของสิ่งกีดขวางชอตต์กีที่ต่ำกว่า สารกึ่งตัวนำจะไม่เกิดการพร่องประจุและจะสร้างหน้าสัมผัสโอห์มิกกับโลหะ แทน

ความสูงของกำแพงชอตต์กี (Schottky barrier height) ถูกกำหนดแตกต่างกันสำหรับสารกึ่งตัวนำชนิด n และชนิด p (โดยวัดจากขอบแถบนำไฟฟ้าและขอบแถบวาเลนซ์ตามลำดับ) การเรียงตัวของแถบพลังงานของสารกึ่งตัวนำใกล้กับรอยต่อโดยทั่วไปจะไม่ขึ้นอยู่กับระดับการเจือปนของสารกึ่งตัวนำ ดังนั้น ความสูงของกำแพงชอตต์กีของสารกึ่งตัวนำชนิด nและ ชนิด p จึง มีความสัมพันธ์กันในอุดมคติโดย:

${\displaystyle \Phi _{\rm {B}}^{(n)}+\Phi _{\rm {B}}^{(p)}=E_{\rm {g}}}$

โดยที่E _g คือช่อง ว่าง พลังงานของสารกึ่งตัวนำ

ในทางปฏิบัติ ความสูงของสิ่งกีดขวางชอตต์กีจะไม่คงที่อย่างแม่นยำตลอดแนวรอยต่อ และจะแตกต่างกันไปตามพื้นผิวรอยต่อ^{[ 2 ]}

กฎของ Schottky–Mott : เมื่อวัสดุทั้งสองถูกนำมาอยู่ใกล้กัน แถบพลังงานในซิลิคอนจะโค้งงอเพื่อให้ฟังก์ชันงาน Φ ของซิลิคอนตรงกับของเงิน แถบพลังงานจะคงการโค้งงอนั้นไว้เมื่อสัมผัสกัน แบบจำลองนี้ทำนายว่าเงินจะมีสิ่งกีดขวาง Schottky ต่ำมากเมื่อเทียบกับ ซิลิคอนที่เจือด้วยสารเจือ nทำให้เกิดการสัมผัสแบบโอห์มที่ดีเยี่ยม

ภาพแสดง ผลกระทบ ของการตรึงระดับเฟอร์มิจากสถานะช่องว่างที่เหนี่ยวนำโดยโลหะ : แถบพลังงานในซิลิคอนเริ่มโค้งงออยู่แล้วเนื่องจากสถานะพื้นผิว แถบพลังงานจะโค้งงออีกครั้งก่อนสัมผัส (เพื่อให้ตรงกับฟังก์ชันงาน) อย่างไรก็ตาม เมื่อสัมผัสแล้ว การโค้งงอของแถบพลังงานจะเปลี่ยนไปอย่างสมบูรณ์ ซึ่งขึ้นอยู่กับเคมีของพันธะ Ag-Si ^{[ 3 ]}

แผนภาพแถบพลังงานสำหรับแบบจำลองการก่อตัวของจุดเชื่อมต่อระหว่างเงินและซิลิคอนเจือn ^{[ 4 ]}ในทางปฏิบัติ อุปสรรค Schottky นี้มีค่าประมาณ Φ _B  = 0.8 eV

กฎการก่อตัวของกำแพงชอตต์กี-มอ ตต์ ซึ่งตั้งชื่อตาม วอลเตอร์ เอช. ชอตต์กีและเนวิลล์ มอตต์ ทำนายความสูงของกำแพงชอตต์กีโดยพิจารณาจาก ฟังก์ชันงานสุญญากาศของโลหะเมื่อเทียบกับสัมพัทธ์ของอิเล็กตรอน ในสุญญากาศ (หรือพลังงานไอออนไนเซชัน ในสุญญากาศ ) ของสารกึ่งตัวนำ:

${\displaystyle \Phi _{\rm {B}}^{(n)}\approx \Phi _{\rm {metal}}-\chi _{\rm {semi}}}$

แบบจำลองนี้ได้มาจากการทดลองทางความคิดในการนำวัสดุทั้งสองมารวมกันในสุญญากาศ และมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดในเชิงตรรกะกับกฎของแอนเดอร์สันสำหรับจุดเชื่อมต่อเซมิคอนดักเตอร์-เซมิคอนดักเตอร์ เซมิคอนดักเตอร์ที่แตกต่างกันจะเคารพกฎ Schottky–Mott ในระดับที่แตกต่างกัน^{[ 5 ]}

แม้ว่าแบบจำลอง Schottky–Mott จะทำนายการโค้งงอของแถบพลังงานในสารกึ่งตัวนำได้อย่างถูกต้อง แต่จากการทดลองพบว่าแบบจำลองนี้จะทำนายความสูงของกำแพง Schottky ได้อย่างไม่ถูกต้องอย่างมาก ปรากฏการณ์ที่เรียกว่า "การตรึงระดับเฟอร์มิ" ทำให้จุดใดจุดหนึ่งของช่องว่างแถบพลังงาน ซึ่ง มี DOS จำกัด จะถูกล็อก (ตรึง) ไว้ที่ระดับเฟอร์มิ ซึ่งทำให้ความสูงของกำแพง Schottky แทบจะไม่ไวต่อฟังก์ชันงานของโลหะเลย^{[ 5 ]}

${\displaystyle \Phi _{\rm {B}}\approx {\frac {1}{2}}E_{\rm {bandgap}}}$

โดยที่E _bandgapคือขนาดของช่องว่างพลังงานในสารกึ่งตัวนำ

ในความเป็นจริง จากประสบการณ์พบว่าไม่มีข้อสรุปสุดขั้วใดที่ถูกต้องอย่างแท้จริง การเลือกโลหะมีผลบ้าง และดูเหมือนว่าจะมีความสัมพันธ์ที่อ่อนแอระหว่างฟังก์ชันงานของโลหะกับความสูงของกำแพงกั้น อย่างไรก็ตาม อิทธิพลของฟังก์ชันงานเป็นเพียงเศษส่วนของสิ่งที่คาดการณ์โดยกฎของ Schottky-Mott ^{[ 6 ] : 143}

ในปี พ.ศ. 2490 จอห์น บาร์ดีนได้ตั้งข้อสังเกตว่าปรากฏการณ์การตรึงระดับเฟอร์มิจะเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติหากมีสถานะประจุอยู่ในสารกึ่งตัวนำที่บริเวณส่วนต่อประสาน โดยมีพลังงานอยู่ภายในช่องว่างของสารกึ่งตัวนำ สถานะเหล่านี้อาจเกิดขึ้นระหว่างการเชื่อมต่อทางเคมีโดยตรงระหว่างโลหะและสารกึ่งตัวนำ ( สถานะช่องว่างที่เกิดจากโลหะ ) หรืออาจมีอยู่แล้วในพื้นผิวระหว่างสารกึ่งตัวนำกับสุญญากาศ ( สถานะพื้นผิว ) สถานะพื้นผิวที่มีความหนาแน่นสูงเหล่านี้จะสามารถดูดซับประจุจำนวนมากที่บริจาคมาจากโลหะได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้สารกึ่งตัวนำได้รับการปกป้องจากรายละเอียดของโลหะ ส่งผลให้แถบพลังงานของสารกึ่งตัวนำจะเรียงตัวไปยังตำแหน่งที่สัมพันธ์กับสถานะพื้นผิว ซึ่งจะถูกตรึงไว้ที่ระดับเฟอร์มิ (เนื่องจากมีความหนาแน่นสูง) ทั้งหมดนี้โดยปราศจากอิทธิพลจากโลหะ^{[ 4 ]}

ผลกระทบจากการตรึงระดับเฟอร์มิมีความรุนแรงในสารกึ่งตัวนำที่สำคัญทางการค้าหลายชนิด (Si, Ge, GaAs) ^{[ 5 ]}และอาจเป็นปัญหาในการออกแบบอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ ตัวอย่างเช่น โลหะเกือบทั้งหมดสร้างสิ่งกีดขวางชอตต์กีที่สำคัญกับเจอร์มาเนียมชนิดnและหน้าสัมผัสโอห์มิกกับ เจอร์มาเนียมชนิด pเนื่องจากขอบแถบวาเลนซ์ถูกตรึงอย่างแน่นหนากับระดับเฟอร์มิของโลหะ^{[ 7 ]}วิธีแก้ปัญหาความไม่ยืดหยุ่นนี้ต้องใช้ขั้นตอนการประมวลผลเพิ่มเติม เช่น การเพิ่มชั้นฉนวนระดับกลางเพื่อปลดการตรึงแถบ (ในกรณีของเจอร์มาเนียมมีการใช้เจอร์มาเนียมไนไตรด์^{[ 8 ]} )

คุณสมบัติการแก้ไขของหน้าสัมผัสโลหะ-สารกึ่งตัวนำถูกค้นพบโดยFerdinand Braunในปี พ.ศ. 2417 โดยใช้ โลหะ ปรอทที่สัมผัสกับสารกึ่งตัวนำคอปเปอร์ซัลไฟด์และเหล็กซัลไฟด์^{[ 9 ]} Sir Jagadish Chandra Boseได้ยื่นขอสิทธิบัตรของสหรัฐอเมริกาสำหรับไดโอดโลหะ-สารกึ่งตัวนำในปี พ.ศ. 2444 สิทธิบัตรนี้ได้รับการอนุมัติในปี พ.ศ. 2447

Wikisourceภาษาอังกฤษมีข้อความต้นฉบับที่เกี่ยวข้องกับบทความนี้:

สิทธิบัตรของ JC Bose

GW Pickardได้รับสิทธิบัตรในปี 1906 เกี่ยวกับตัวเรียงกระแสแบบจุดสัมผัสโดยใช้ซิลิคอนในปี 1907 George W. Pierceได้ตีพิมพ์บทความในPhysical Reviewซึ่งแสดงคุณสมบัติการเรียงกระแสของไดโอดที่ทำโดยการพ่นโลหะหลายชนิดลงบนสารกึ่งตัวนำหลายชนิด^{[ 10 ]}การใช้ตัวเรียงกระแสไดโอดโลหะ-สารกึ่งตัวนำได้รับการเสนอโดยLilienfeldในปี 1926 ในสิทธิบัตรทรานซิสเตอร์ฉบับแรกจากสามฉบับของเขาในฐานะเกตของทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กโลหะ-สารกึ่งตัวนำ [ ^{11 ] ทฤษฎี}ของทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กโดยใช้เกตโลหะ/สารกึ่งตัวนำได้รับการพัฒนาโดยWilliam Shockleyในปี 1939

ไดโอดโลหะ-เซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรกสุดที่ใช้ใน งาน อิเล็กทรอนิกส์เกิดขึ้นราวปี 1900 เมื่อมีการใช้ตัวเรียงกระแสแบบหนวดแมว ใน เครื่องรับ^{[ 12 ]}โดยประกอบด้วยลวดทังสเตนปลายแหลม (ในรูปทรงหนวดแมว) ซึ่งปลายหรือจุดแหลมถูกกดแนบกับพื้นผิวของ ผลึก กาเลนา (ตะกั่วซัลไฟด์) ตัวเรียงกระแสขนาดใหญ่ตัวแรกปรากฏขึ้นราวปี 1926 ซึ่งประกอบด้วยเซ มิคอนดักเตอร์ ออกไซด์ทองแดง(I)ที่ปลูกด้วยความร้อนบนพื้นผิว ทองแดง ต่อมาฟิล์มซีลีเนียม ถูก ระเหยลงบนพื้นผิวโลหะขนาดใหญ่เพื่อสร้างไดโอดเรียงกระแส ตัวเรียงกระแสซีลีเนียม เหล่านี้ ถูกใช้ (และยังคงใช้) เพื่อแปลงกระแสสลับเป็นกระแสตรงในงานด้านพลังงานไฟฟ้า ในช่วงปี 1925–1940 ไดโอดที่ประกอบด้วย ลวดโลหะ ทังสเตน ปลายแหลม ที่สัมผัสกับ ฐานผลึก ซิลิคอนถูกผลิตขึ้นในห้องปฏิบัติการเพื่อตรวจจับคลื่นไมโครเวฟในช่วงUHFโครงการผลิตซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูงเพื่อใช้เป็นฐานผลึกสำหรับตัวเรียงกระแสแบบจุดสัมผัสในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองนั้น เสนอโดยเฟรเดอริค ไซทซ์ในปี 1942 และดำเนินการได้สำเร็จโดยสถานีทดลองของบริษัท อี. ไอ. ดู ปงต์ เดอ เนมัวร์

ทฤษฎีแรกที่ทำนายทิศทางการแก้ไขกระแสไฟฟ้าของรอยต่อโลหะ-สารกึ่งตัวนำได้อย่างถูกต้องนั้น เสนอโดย เนวิลล์ มอตต์ในปี 1939 เขาค้นพบวิธีแก้ปัญหาสำหรับทั้ง กระแส การแพร่และการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุส่วนใหญ่ ผ่านชั้นประจุไฟฟ้าบนพื้นผิวสารกึ่งตัวนำ ซึ่งเป็นที่รู้จักกันมาตั้งแต่ประมาณปี 1948 ในชื่อกำแพงมอตต์ (Mott barrier) วอลเตอร์ เอช . ชอตต์กี (Walter H. Schottky)และสเปนเก (Spenke) ได้ขยายทฤษฎีของมอตต์โดยรวมไอออนผู้ให้ (donor ion)ที่มีความหนาแน่นคงที่ตลอดชั้นพื้นผิวสารกึ่งตัวนำ ซึ่งทำให้สนามไฟฟ้า คง ที่ที่มอตต์สมมติไว้เปลี่ยนไปเป็นสนามไฟฟ้าที่ลดลงอย่างเป็นเส้นตรง ชั้นประจุไฟฟ้าใต้โลหะนี้เรียกว่ากำแพงชอตต์กี (Schottky barrier ) ทฤษฎีที่คล้ายกันนี้ก็ได้รับการเสนอโดยดาวิดอฟ (Davydov)ในปี 1939 เช่นกัน แม้ว่าจะให้ทิศทางการแก้ไขกระแสไฟฟ้าที่ถูกต้อง แต่ก็ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าทฤษฎีของมอตต์และส่วนขยายของชอตต์กี-ดาวิดอฟนั้นให้กลไกการจำกัดกระแสและสูตรกระแส-แรงดันที่ไม่ถูกต้องในวงจรเรียงกระแสไดโอดโลหะ/สารกึ่งตัวนำซิลิคอน ทฤษฎีที่ถูกต้องได้รับการพัฒนาโดยHans Betheและรายงานโดยเขาใน รายงาน ห้องปฏิบัติการรังสี MITลงวันที่ 23 พฤศจิกายน พ.ศ. 2485 ในทฤษฎีของ Bethe กระแสไฟฟ้าถูกจำกัดโดยการปล่อยอิเล็กตรอนแบบเทอร์มิออนิกเหนือกำแพงศักย์โลหะ-เซมิคอนดักเตอร์ ดังนั้น ชื่อที่เหมาะสมสำหรับไดโอดโลหะ-เซมิคอนดักเตอร์ควรเป็นไดโอด Bethe แทนที่จะเป็นไดโอด Schottkyเนื่องจากทฤษฎี Schottky ไม่สามารถทำนายลักษณะเฉพาะของไดโอดโลหะ-เซมิคอนดักเตอร์สมัยใหม่ได้อย่างถูกต้อง^{[ 13 ]}

หากมีการสร้างรอยต่อโลหะ-สารกึ่งตัวนำโดยการวางหยดปรอทลงบนสารกึ่งตัวนำ เช่นซิลิคอนเพื่อสร้างสิ่งกีดขวางชอตต์กีในการตั้งค่าทางไฟฟ้าของไดโอดชอตต์กีจะสามารถสังเกตเห็น การเปียก ด้วยไฟฟ้า ได้ โดยที่หยดปรอทจะกระจายออกไปเมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น การกระจายตัวของหยดปรอทจะขึ้นอยู่กับขนาดและเครื่องหมายของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับหยดปรอท ขึ้นอยู่กับชนิดและความหนาแน่นของ การเจือปนในสารกึ่งตัวนำ^{[ 14 ]}ผลกระทบนี้เรียกว่า 'การเปียกด้วยไฟฟ้าแบบชอตต์กี' ซึ่งเป็นการเชื่อมโยงผลกระทบของการเปียกด้วยไฟฟ้าและสารกึ่งตัวนำเข้าด้วยกัน^{[ 15 ]}

ระหว่างปี พ.ศ. 2496–2491 งานของ Fuller และ Ditzenberger เกี่ยวกับการแพร่ของสิ่งเจือปนเข้าไปในซิลิคอน^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}ในปี พ.ศ. 2499 Miller และ Savage ศึกษาการแพร่ของอะลูมิเนียมในซิลิคอนผลึก^{[ 20 ]}

ทรานซิสเตอร์เกตซิลิคอนออกไซด์ตัวแรกถูกประดิษฐ์ขึ้นโดย Frosch และ Derick ในปี 1957 ที่ Bell Labs ^{[ 21 ]}ในปี 1956 Richard Baker ได้อธิบายวงจรหนีบไดโอดแบบแยกส่วนบางวงจรเพื่อป้องกันไม่ให้ทรานซิสเตอร์อิ่มตัว^{[ 22 ]}ปัจจุบันวงจรเหล่านี้รู้จักกันในชื่อBaker clampsวงจรหนีบวงจรหนึ่งใช้ไดโอดเจอร์มาเนียมตัวเดียวเพื่อหนีบทรานซิสเตอร์ซิลิคอนในการกำหนดค่าวงจรที่เหมือนกับทรานซิสเตอร์ Schottky ^{[ 22 ] : 11, 30} วงจรนี้อาศัยคุณสมบัติของไดโอดเจอร์มาเนียมที่มีแรงดันตกคร่อมไปข้างหน้าต่ำกว่าไดโอดซิลิคอน

ไดโอด Schottky หรือที่รู้จักกันในชื่อไดโอด Schottky-barrier ได้รับการตั้งทฤษฎีมานานหลายปี แต่ได้รับการนำไปใช้จริงเป็นครั้งแรกจากผลงานของ Atalla และ Kahng ในช่วงปี 1960–1961 ^{[ 23 ] [ 24 ]}พวกเขาตีพิมพ์ผลงานในปี 1962 และเรียกอุปกรณ์ของพวกเขาว่าโครงสร้างไตรโอด "อิเล็กตรอนร้อน" ที่มีตัวปล่อยเซมิคอนดักเตอร์-โลหะ^{[ 25 ]}มันเป็นหนึ่งในทรานซิสเตอร์ฐานโลหะตัวแรกๆ^{[ 26 ]} Atalla ยังคงทำการวิจัยเกี่ยวกับไดโอด Schottky ต่อไปกับ Robert J. Archer ที่HP Associates พวกเขาพัฒนาเทคโนโลยีการตกตะกอนฟิล์มโลหะสุญญากาศ สูง ^{[ 27 ]}และสร้างหน้าสัมผัสที่ระเหย / สปัต เตอร์ที่ เสถียร^{[ 28 ] [ 29 ]}โดยเผยแพร่ผลลัพธ์ในเดือนมกราคม พ.ศ. 2506 ^{[ 30 ]}งานของพวกเขาถือเป็นความก้าวหน้าในการวิจัยเกี่ยวกับจุดเชื่อมต่อโลหะ-เซมิคอนดักเตอร์^{[ 28 ]}และสิ่งกีดขวางชอตต์กี เนื่องจากสามารถเอาชนะ ปัญหา การผลิต ส่วนใหญ่ ที่มีอยู่ในไดโอดแบบจุดสัมผัสและทำให้สามารถสร้างไดโอดชอตต์กีที่ใช้งานได้จริง^{[ 27 ]}

ในปี พ.ศ. 2510 Robert Kerwin, Donald Klein และ John Sarace ที่ Bell Labs ได้จดสิทธิบัตรวิธีการแทนที่เกตอะลูมิเนียมด้วยชั้นซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์^{[ 31 ] [ 32 ]}

• แผงกั้นชอตต์กี

• Streetman, Ben G.; Banerjee, Sanjay Kumar (2016). อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โซลิดสเตท . บอสตัน: Pearson. หน้า 251-257. ISBN 978-1-292-06055-2. OCLC  908999844 .

• สื่อที่เกี่ยวข้องกับแผนภาพแถบพลังงานของรอยต่อโลหะ-สารกึ่งตัวนำในวิกิมีเดียคอมมอนส์