Прохождение горячих электронов сквозь тонкие

Металлические пленки

Выше мы рассматривали явления, связанные с прохождением носителей сквозь диэлектрические тонкие пленки. Здесь исследуем прохождение так называемых горячих электронов через 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 напряжения U высота 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 также φ_э < φ_к, то эмиссионный поток электронов достигает второго полупроводникового электрода (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 М₁ электроны туннелируют в диэлектрик, а оттуда попадают в металл М₂. Если высота коллекторного барьера меньше, чем энергия электрона - eU_э, то горячие электроны попадают в коллектор-полупроводник.

Ток туннельной эмиссии зависит от толщины металлической пленки d и длины поглощения электронов L

. (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.