LISTRIK DAN SIFAT MAGNETIK THIN FILM
1.
Pengenalan
Properti Listrik Lapisan Tipis
Sifat
listrik lapisan tipis berperan penting untuk konduktor listrik lapisan tipis,
insulator, dan perangkat. Teori kuantitatif konduktivitas listrik digunakan
untuk mendefinisakan sifat, besarnya, dan atribut dari konstanta material.
Pendekatan komplementer untuk memahami respon material terhadap listrik. Ada
perbedaan yang memberi karakteristik unik pada lapisan tipis, yaitu efek
ukuran, metode persiapan lapisan, efek elektroda, derajat mekanisme kontinuitas
film-konduksi, dan adanya fenomena konduksi medan listrik.
Sejumlah
teknik telah digunakan untuk mengukur sifat listrik thin film. Beberapa
diantaranya adalah dengan cara dimana arus mengalir melalui ketebalan film,
elektroda yang terletak pada permukaan film yang berlawanan. Jika kebocoran
muatan disepanjang permukaan dari kontak ke kontak, pengelupasan melalui
konduksi film, maka elektroda akan bekerja. Untuk lapisan konduktif dan
semikonduktor yang lebih konduktif, biasa dilakukan untuk semua elektroda pada
permukaan film yang sama. Pengukuran tersebut menggunakan empat terminal-ua
untuk melewatkan arus dan dua untuk tegangan.
2.
Konduksi Pada
Lapisan Logam
Untuk
mempelajari tentang konduksi listrik pada logam digunakan aturan Matthiessen. Ini
menyatakan bahwa berbagai proses hamburan elektron yang mengalami resistivitas
total (ρr) logam melakukannya secara independen dan aditif, yaitu Ρt = ΡTh + Pi
+ PD. Tabrakan elektron dengan atom bergetar berpindah dari posisi equilibrium.
Hal ini menyebabkan koefisien resistivitas suhu positif. Ketidakmurnian atom,
cacat seperti kekosongan dan butiran batas-batas lokal mengganggu potensi
listrik periodik dari kisi.
Masalah hamburan elektron dari permukaan
film logam tipis telah terjadi bunga selama hampir satu abad; Bahkan saat ini
subjek tidak terbebas dari kontroversi. Isu kritis berkisar pada sifat
permukaan film dan apa yang terjadi ketika sebuah elektron gagal untuk
menjalankan jalur bebas penuh karena geraknya terganggu melalui tabrakan dengan
permukaan film. Elektron kemudian menjalani hamburan specular atau diffuse.
Dalam hamburan specular atau elastis elektron mencerminkan dengan cara yang
sama seperti foton dari cermin. Di dalam Kasus yang bisa kita bayangkan
menyingkirkan permukaan dan menggandakan ketebalan film (atau tiga kali lipat
untuk dua refleksi permukaan, dll.). Elektron sekarang berlanjut pada sebuah
Jalan imajiner yang lurus untuk melengkapi jalan yang ada dalam jumlah besar,
akhirnya Menghamburkan pada titik interior ke permukaan yang melebar. Jika ini
terjadi, filmnya resistivitasnya sama seperti di bagian terbesar, dan tidak ada
efek ketebalan film resistivitas. Saat hamburan benar-benar nonspekuler, atau
berdifusi (inelastis), Jalur bebas genangan elektron diakhiri dengan menabrak
permukaan film. Setelah Tabrakan permukaan lintasan elektron tidak tergantung
pada pelampiasannya arah, dan sudut hamburan berikutnya acak. Resistivitas
meningkat karena elektron lebih sedikit mengalir melalui pesawat referensi yang
mendaftar saat ini mengalir.
Batas
butir, dimana orientasi kristal berubah, diharapkan terjadi scatterer elektron
efektif dan berperilaku seperti antarmuka film dalam hal ini. Sebagai ukuran
kristal menjadi lebih kecil dari jalur bebas-elektron; a kontribusi terhadap
resistivitas film dari hamburan GB muncul. Mayadas dan Shatzkes telah
memperlakukan efek ini, dengan mengasumsikan butiran rata-rata diameter sama
dengan ketebalan film dan hanya GB yang normalnya terbengkalai terhadap
hamburan. Teori tersebut memprediksi bahwa GB resistivitas pgb pada dasarnya
diberikan oleh parameter baru, 0, terkait dengan waktu relaksasi untuk hamburan
GB, tergantung pada geometri butiran dan daya hamburannya. Secara eksplisit,
dimana D adalah rata-rata diameter butiran dan R (0 <R <1) adalah
elektron GB parameter pantulan Dalam teori M-S, R memainkan peran yang sama
dengan P dalam Persamaan F-S. Jika R = 1, resistivitas film tidak terbatas
karena elektron berada dipantulkan kembali ke asal mereka. Selain itu, R
bergantung pada tipe GB, adsorpsi pengotor pada GBs, dan geometri intergrain
dan radius kelengkungan.
3.
Transportasi
Listrik Dalam Film Insulting
Pengantar Film
insulasi diperlukan untuk mengisolasi komponen kondom secara elektrik atau
elektrik perangkat serta berfungsi sebagai dielektrik dalam kapasitor. Contoh
bahan tersebut meliputi oksida seperti SiO2, Al2O3, dan Ta2O5, dan nitrida
seperti Si3N4 dan AlN. Gambaran tradisional isolator adalah bahan yang memiliki
pembawa muatan gratis yang sangat sedikit pada suhu praktis. Ini adalah sebuah
konsekuensi dari celah pita energi yang besar. Namun dalam prakteknya, isolasi
Film umumnya amorf dan model biasa dari energi yang didefinisikan dengan tajam
band tidak dapat dengan mudah diterapkan; Sebaliknya, ekor yang kabur muncul di
bagian atas pita valensi dan bagian bawah pita konduksi. Ini berlanjut ke celah
dan tumpang tindih untuk membentuk distribusi keadaan elektron kontinyu. Kapan
ini terjadi insulator menganggap sifat seperti semikonduktor. Karena
ketidaksempurnaan struktural sebenarnya mungkin ada kepadatan muatan pembawa
yang relatif tinggi. Mereka cenderung dilokalisasi atau terjebak di pusat-pusat
ini untuk waktu yang lama, dan Perilaku isolasi berasal dari pembawa yang
memiliki mobilitas sangat rendah. Serangkaian fenomena konduksi listrik yang
beragam ditampilkan dengan isolasi film saat terjepit diantara kombinasi logam
dan semikonduktor.
- Barrier-Limited. Mekanisme ini beroperasi di sekitar kontak / isolator. Konduksi dibatasi oleh transfer charge dari kontak ke isolator; Sekali charge disuntikkan sedikit kesulitan bermigrasi ke elektroda lainnya. Emisi Schottky dan tunneling paling banyak contoh penting konduksi terbatas penghalang.
- Bulk-Limited. Dalam hal ini cukup jumlah pembawa muatan disuntikkan ke pita konduksi insulator oleh emisi Schottky atau tunneling. Namun mereka mengalami kesulitan dalam mencapai elektroda lain karena keterbatasan transportasi massal Contohnya termasuk biaya ruang terbatas, intrinsik, dan Poole -Frenkel mekanisme konduksi.
- Penghalang Schottky menurunkan efek dan Konduksi Poole-Frenkel sulit dibedakan. Kemungkinan pencampuran dari Mekanisme konduksi yang beroperasi secara seri atau paralel semakin menyulitkan isu. Terlepas dari hambatan ini, pengukuran yang cermat pada sistem tertentu menghasilkan karakteristik sesuai dengan teori. Misalnya, perhatikan data pada Gambar 10-10 untuk Si3N4, film yang terjepit di antara Au dan sangat terdoping Elektroda Si Respon dc medan yang tinggi (Gambar 10-l0a) konsisten dengan Poole-Frenkel konduksi sementara pada nilai rendah d ohmic (intrinsik) perilaku (bertitik in) diamati. Pembalikan polaritas menghasilkan respons yang berbeda, efek yang diakibatkan oleh perbedaan pada + B pada Au-Si3N4, dan Si-Si3N4 interface. Spektrum rezim konduksi juga dapat dibedakan pada dasar suhu seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10-l0b. Karena suhu diturunkan, Kondisioner Poole-Frenkel memberi jalan pada perilaku ohmic dan kemudian melakukan tunneling. Bersamaan, energi aktivasi efektif untuk penurunan konduksi di tahap sampai mencapai nol, tanda tertentu bahwa tunneling mendominasi. Kecuali untuk Tingkat konduksi, A120, dan SiO, film menampilkan karakteristik serupa sebagai fungsi suhu. Perilaku konduksi pada insulator sering terjadi diselidiki sebagai fungsi ketebalan film.
Gambar 10-10a
Gambar 10-10b
4.
Kontak
Semikonduktor dan Struktur MOS
Ketika kedua bahan yang terisolasi
tersebut dimasukkan ke dalam kontak, ekuilibrium E, membutuhkan transfer
elektron ke logam. Tapi ini menghabiskan semikonduktor elektron di sekitar
antarmuka. Akibatnya semikonduktor memperoleh karakter N-tipe yang kurang, dan
inilah mengapa valensi dan Tepi konduksi-tepi menekuk di antarmuka. Di luar - 1
pm atau lebih, tergantung pada tingkat doping, band tipe semikonduktor N asli
tidak berubah Konsekuensi penting pembentukan kontak adalah energi potensial
Hambatan magnitudo q (4M - 4s) dibangun di persimpangan.
Dengan menginterpretasikan film
oksida tipis antara logam planar dan semikonduktor elektroda, kita menciptakan
struktur MOS yang penting secara teknologi. Ini Struktur adalah blok bangunan
penting dari transistor efek medan silikon. Karena Sifat kapasitor MOS telah
terbukti berharga dalam mendiagnosis kualitas dari film elektroda oksida dan
gerbang yang digunakan, sangat bermanfaat untuk secara kualitatif mengerti
bagaimana struktur ini merespons tegangan yang diterapkan. Selanjutnya
diasumsikan tidak ada muatan pada oksida semikonduktor (S-0) antarmuka atau
dalam film oksida yang tepat. Ini berarti tanpa voltase Terapkan tingkat
kesetimbangan Fermi daun semua band horizontal atau datar. Ketika sebuah
Potensi negatif V diterapkan pada logam, energi dari semua konduksinya elektron
dinaikkan secara seragam dengan jumlah qV relatif terhadap semikonduktor.
Lubang tertarik pada antarmuka S - 0 yang membuat semikonduktor tampak jadilah
tipe P yang lebih banyak dari aslinya. Hal ini menyebabkan band ini membungkuk
di antarmuka.
Penerapan medan listrik yang
sangat tinggi di film isolasi terkadang bisa terjadi menyebabkan kerusakan
lokal material, sebuah fenomena yang dikenal sebagai dielektrik kerusakan. Efek
ini telah lama dipelajari secara massal maupun film tipis insulator dan terjadi
pada bidang yang jauh melebihi yang menyebabkan ohmic atau medan-dependent,
konduksi nonohmic yang dipertimbangkan sebelumnya. Kerusakan nampaknya hasil
injeksi kelebihan muatan lokal dari elektroda yang kemudian memicu arus
sambaran seperti kilat. Di belakangnya adalah saluran rusak, lubang, atau kawah
permukaan yang meleleh, dan terkadang juga kumis logam atau dendrit yang
menjembatani dan memendekkan elektroda. Studi tentang dielektrik gangguan
fenomena dalam film telah dilakukan pada besar jumlah oksida.
5.
Superkonduktivitas
Pada Lapisan Tipis
Superkonduktivitas
ditemukan oleh Kamerlingh Onnes, yang pada 1911, menemukan bahwa hambatan
listrik Hg lenyap di bawah 4.15K. Sebenarnya itu diperkirakan dari pembusukan
arus (hampir) supercurrents terus-menerus dalam toroida bahwa resistivitas superkonduktor
tidak melebihi – l0 Q-cm, sekitar 14 orde di bawahnya untuk Cu. Beberapa
atribut dasar yang dimiliki oleh superkonduktor telah diverifikasi
eksperimental dan secara teoritis, yaitu 1) Fenomena superkonduktivitas telah
diamati terjadi di setidaknya 26 elemen dan ratusan dan Mungkin ribuan paduan
logam dan senyawa, 2) Suhu
Kritis dan Medan Magnetik, 3) Efek Meissner, hal ini ditandai dengan tidak
adanya magnet fluks dan, karenanya, arus listrik dari sebagian besar
superkonduktor. Itu pengecualian dan fluks dan arusnya terbatas pada lapisan
permukaan yang dikenal sebagai kedalaman penetrasi A. Efek Meissner berarti
bahwa jika sebuah superkonduktor didekati oleh medan H, arus penyaringan
dipasang di permukaannya. Arus penyaringan ini terbentuk medan H yang sama dan
berlawanan sehingga medan bersih lenyap di superkonduktor pedalaman.
