9.6. Прохождение горячих электронов сквозь тонкие металлические пленки
Выше мы рассматривали явления, связанные с прохождением носителей сквозь диэлектрические тонкие пленки. Здесь исследуем прохождение так называемыхгорячих электроновчерез тонкие металлические пленки.
Понятие «горячий электрон» относится к неравновесным электронам, энергия которых значительно больше энергии равновесных носителей. Название обусловлено тем, что эквивалентная температура таких электронов значительно больше температуры кристалла. Горячий электрон, попадая в металл, испытывает постоянное взаимодействие с фононами, свободными электронами, дефектами кристаллической решетки. В процессе такого взаимодействия он отдает избыточную энергию и переходит в равновесное состояние. Однако если длина свободного пробега электрона значительно больше толщины пленки, то практически все горячие электроны пройдут сквозь пленку.
Ввод горячих электронов в металлическую пленку удается осуществить за счет туннелирования, инжекции через барьер Шоттки или инжекции на основе токов, ограниченных пространственным зарядом. На рис. 9.9 показаны энергетические диаграммы структур, в которых возможно введение горячих электронов через барьер Шоттки (а) и с помощью туннелирования (б). В первом случае это П1ДП2-структура. За счет приложенного напряженияUвысота потенциального барьера на границе полупроводник-металл существенно меняется, что позволяет реализовать эмиссию Шоттки. Если металлическая пленка достаточно тонкая и рассеяния электронов в ней не происходит, а такжеφэ<φк, то эмиссионный поток электронов достигает второго полупроводникового электрода (П2).
Д
П1
П2
а)б)
Рис. 9.9. Энергетические диаграммы инжекции электронов сквозь металлическую пленку: а– инжекция Шоттки;б– туннелирование
Ввод электронов в металлическую пленку с помощью туннельного эффекта может быть осуществлен, например, в структуре металл-диэлектрик-металл-полупроводник (рис. 9.9, б). Из металла М1электроны туннелируют в диэлектрик, а оттуда попадают в металл М2. Если высота коллекторного барьера меньше, чем энергия электрона -eUэ, то горячие электроны попадают в коллектор-полупроводник.
Ток туннельной эмиссии зависит от толщины металлической пленки dи длины поглощения электроновL
.
(9.38)
Сравнение различных механизмов инжекции носителей показало, что наиболее эффективной является инжекция через барьер Шоттки.
Исследование поведения горячих электронов в тонкой металлической пленке привлекает внимание в связи с возможностью построения транзисторов на горячих электронах.
Действительно, например, ПМП-структура (рис. 9.9, а) в определенных условиях может работать как транзистор, имеющий тонкопленочную металлическую базу. Контактный барьер на границе эмиттер-база (П1М) должен пропускать значительный поток неравновесных горячих электронов в металл и не пропускать встречный поток равновесных электронов. Некоторая часть инжектированных электронов рассеивается и создает базовый ток. Основная часть проходит под контактным барьером и создает коллекторный ток.