Физика полупроводниковых приборов - Зи С.М.
Скачать (прямая ссылка):
для изучения процессов переноса "горячих" электронов в тонких
металлических пленках. Кроме того, он может дать качественные результаты,
касающиеся взаимодействий электронов с фононами в полупроводниках и
квантово-механического отражения на границе .раздела металл -
полупроводник.
4. Приборы с туннельной эмиссией. Если заменить коллектор системы
диэлектрик-металл (как показано на рис. 16) вакуумом, можно получить
упрошенную структуру диода металл - диэлектрик - металл с туннельной
эмиссией. Зонная диаграмма диода такой структуры приведена на рис. 27,а.
Структура широко использовалась для изучения механизмов переноса
"горячих" электронов как в тонких пленках металла, так и в тонких
изолирующих пленках. Схема экспериментального устройства показана на рис.
27,6. Метатл (например, алюминий) вначале наносится на стеклянную под-
Таблица 11-4
Величины средней длины свободного пробега и времени жизни
(Е - Ер) = 1 эв
Металл LB, A •с (10-", сек) С la. A О ¦ VA
Ag 265 6,8 310 570
Au 220 7,0 220 406
Pd 87 3,9 88 110
ложку. Далее изолирующая пленка (например, А1203) толщиной
О
порядка 50 А образуется нли напыляется на металл. Металлйче-
ская пленка верхнего слоя - "база" толщиной около 100 А (например, Au)
наносится зятем нз изолирующий слой. Когда напря-
Рис. 26. Зависимость баллистической средней длины свободного пробега от
энергии электронов в Au, Ag и Pd [Л. 23].
жение Uа, превосходящее работу выхода из металла в вакуум (Фм), приложено
между металлами, -может наблюдаться эмиссия электронов в вакуум (рис.
27,а).
На рис. 28 приведен типичный экспериментальный результат для структур AI-
А1203--Au (JI. 34]. (Получен график зависимости отношения токов +/2) от
толщины пленки золота при приложенном напряжении смещения 6 в, где Ii -
ток эмиссии, собираемый коллекторной пластиной, а /2 - диодный ток.
Отмечается, что
Эмиттер V База Коллектор
щ \ ~^м _±
bd
I г
-г-"
м
1 п 1 3Х" р $ 5
ft ; -*-
! 1 1_. 1 |__
0,+k) гФ X1*
1Ц 1 б)
М Вакуум
а)
Рис. 27. Структура металл-диэлектррк-металл. • а - диаграмма
энергетических зон в структуре металл-диэлектрик-металл с туннельной
эмиссией: 1 - тонкий диэлектрик;
2 - металлическая пленка; 3 - стеклянная подложка; 4- металл; 5 -
инжектированные электроны,- 6 - вакуумная камера;
/ - собирающая пластина; б - схема эксперимента.
обычно менее 1 % электронов, достигающих металлической базы, попадает в
вакуум. Отмечается также, что сильное возрастание тока наблюдается в
случае, когда на поверхность золотого слоя
Рис. 28. Экспериментальные результаты для структур А!-Ai203-Au (отношение
токов /j(/i+/2) дано в зависимости от толщины золота [JI. 34])
О
при толщине А1203 100 А и напряжении 6 в.
наносится монослой бария для снижения работы выхода с поверхности с 4,8 в
примерно до 2,7 в. На рис. 28 установлено, что -баллистическая средняя
длина свободного пробега "горячих" электро-
О " 1
нов составляет -около 50 А в золоте (с энергией электронов 6 эе).
Для изучения влияния работы выхода 'и потерь -при переносе в пленках
диэлектрика и металла будет использована более подробная диаграмма
энергетических зон а условиях эмиссии, как показано на рис. 29. Прежде
всего рассматривают энергетический спектр электронов, введенных в зону
проводимости диэлектрика.
Приложенное -напряжение, необходимое для возбуждения эмиссии выше
поверхностных потенциальных барьеров (Фто) ^
пленки золота, больше внутрен- ИС- Энергетическая диаграм-них барьеров
<Di и Фг на вели- ма структуры с туннельной эмис-чину, достаточную для
того, сией ПРИ изучении распределения чтобы можно было использо-
электронов по энергии [Л. 35]. вать простое уравнение Фаулера - Нордхейма
для процессов туннелирования 1[Л. 34а]. При
использовании этого приближения' полуширина 8 полного энер-
гетического распределения Nt (Е) при 6 °К выражается в виде {Л. 36]
/ I \ Ю-"?1п2
Ч~2~Г~-VWT''эв ( )
где <§ - напряженность поля, о/см- Ф1 - высота барьепа.
Типичное рабочее поле находится в области !06-107 в/см. которое -дает при
Ф)=2 в диапазон полуширины 6(1/2) =0,005- 0,08 эв. При более высоких
температурах полуширина увеличивается, например при -107 в/см и 300°К
полуширина 6(1/2)-0,15 эв. Таким образом, -после туннелирования в зону
проводимости диэлектрика функция распределения электронов по энергиям
очень узкая (и может -быть эффективно описана с помощью 6-функции).
Схематически это распределение показано на рис. 29.
Когда электроны протуннелировали в зону проводимости диэлектрика,
происходит генерация оптических фононов, поскольку электроны получили
кинетическую энергию от электрического поля. Как -показано на рис. 29,
энергетическое распределение электронов расширяется при прохождении
электронов через диэлектрик и становится Щ(Е) на границе раздела
диэлектрик - металл. Поскольку перенос "горячих" электронов в следующей
металлической пленке является -преимущественно баллистическим (т. е.
каждый акт рас-
Металл1 Диэлектрик
