اتصال أومي

الوصلة الأومية هي وصلة كهربائية غير مقوّمة : وهي وصلة بين موصلين ذات منحنى تيار-جهد خطي، كما هو الحال في قانون أوم . تُستخدم الوصلات الأومية ذات المقاومة المنخفضة للسماح بتدفق الشحنة بسهولة في كلا الاتجاهين بين الموصلين، دون عوائق ناتجة عن التقويم أو تبديد طاقة زائد بسبب عتبات الجهد.

في المقابل، يُطلق على الوصلة أو الموصل الذي لا يُظهر منحنى تيار-جهد خطيًا اسم غير أومي. وتأتي الموصلات غير الأومية بأشكال عديدة، مثل وصلة p-n ، وحاجز شوتكي ، والوصلة غير المتجانسة المقومة ، أو وصلة الانهيار .

يشير مصطلح "التلامس الأومي" عمومًا إلى التلامس الأومي بين معدن وشبه موصل، حيث يمكن تحقيق مقاومة التلامس الأومي ، ولكن ذلك يتطلب تقنية دقيقة. وتُعدّ التلامسات الأومية بين المعادن أسهل نسبيًا في التصنيع، إذ تضمن اتصالًا مباشرًا بين المعدنين دون وجود طبقات عازلة أو شوائب أو خشونة مفرطة أو أكسدة بينهما ؛ وتُستخدم تقنيات متنوعة لإنشاء وصلات أومية بين المعادن ( اللحام ، والضغط ، والترسيب ، والطلاء الكهربائي ، وغيرها).

تُعدّ التوصيلات المستقرة عند أسطح أشباه الموصلات، ذات المقاومة المنخفضة وسلوك التيار-الجهد الخطي، بالغة الأهمية لأداء وموثوقية أجهزة أشباه الموصلات ، ويُشكّل تحضيرها ودراسة خصائصها جهدًا كبيرًا في تصنيع الدوائر. ويمكن أن تُظهر الوصلات المُحضّرة بشكل سيئ مع أشباه الموصلات سلوكًا تقويميًا بسهولة، وذلك بتسببها في استنزاف شبه الموصل بالقرب من الوصلة، مما يجعل الجهاز غير قابل للاستخدام عن طريق منع تدفق الشحنة بين هذه الأجهزة والدوائر الخارجية. وتُصنع التوصيلات الأومية مع أشباه الموصلات عادةً بترسيب أغشية معدنية رقيقة ذات تركيبة مُختارة بعناية، وقد يتبع ذلك عملية تلدين لتغيير الرابطة بين شبه الموصل والمعدن.

يعتمد كل من التوصيل الأومي وحواجز شوتكي على ارتفاع حاجز شوتكي، الذي يحدد عتبة الطاقة الزائدة اللازمة لانتقال الإلكترون من شبه الموصل إلى المعدن. ولكي يسمح التوصيل الأومي بمرور الإلكترونات بسهولة في كلا الاتجاهين، يجب أن يكون ارتفاع الحاجز منخفضًا في بعض أجزاء سطح التوصيل على الأقل. ولتكوين توصيل أومي ممتاز (مقاومة منخفضة)، يجب أن يكون ارتفاع الحاجز منخفضًا في جميع أنحاء التوصيل، بالإضافة إلى ضرورة ألا يعكس السطح البيني الإلكترونات.

يتنبأ قانون شوتكي-موت، بشكل مبسط، بأن ارتفاع حاجز شوتكي بين المعدن وشبه الموصل يتناسب طرديًا مع الفرق بين دالة الشغل بين المعدن والفراغ، والألفة الإلكترونية بين شبه الموصل والفراغ . عمليًا، لا تتبع معظم واجهات المعدن-شبه الموصل هذه القاعدة بالقدر المتوقع. فبدلًا من ذلك، يؤدي التفاعل الكيميائي لبلورة شبه الموصل مع المعدن إلى تكوين حالات إلكترونية ضمن فجوة نطاقها . تميل طبيعة هذه الحالات الناتجة عن المعدن، وشغلها بالإلكترونات، إلى تثبيت مركز فجوة النطاق عند مستوى فيرمي، وهو تأثير يُعرف بتثبيت مستوى فيرمي . وبالتالي، غالبًا ما تُظهر ارتفاعات حواجز شوتكي في وصلات المعدن-شبه الموصل اعتمادًا ضئيلًا على قيمة دالة الشغل لشبه الموصل أو المعدن، على عكس ما يتنبأ به قانون شوتكي-موت. ^{[ 1 ]} تُظهر أشباه الموصلات المختلفة تثبيت مستوى فيرمي هذا بدرجات متفاوتة، ولكن النتيجة التكنولوجية هي أن تكوين وصلات أومية عالية الجودة (مقاومة منخفضة) عادة ما يكون صعبًا في أشباه الموصلات المهمة مثل السيليكون وأرسينيد الغاليوم .

لا يُعدّ قانون شوتكي-موت خاطئًا تمامًا، ففي الواقع العملي، تُشكّل المعادن ذات دالات الشغل العالية أفضل نقاط التلامس مع أشباه الموصلات من النوع p، بينما تُشكّل المعادن ذات دالات الشغل المنخفضة أفضل نقاط التلامس مع أشباه الموصلات من النوع n. مع ذلك، أظهرت التجارب أن القدرة التنبؤية لهذا النموذج لا تتجاوز هذه الحقيقة. ففي ظل ظروف واقعية، قد تتفاعل معادن التلامس مع أسطح أشباه الموصلات لتكوين مركب ذي خصائص إلكترونية جديدة. وقد تُؤدي طبقة التلوث عند السطح البيني إلى توسيع الحاجز بشكل فعّال. كما قد يُعاد تشكيل سطح شبه الموصل ، مما يُؤدي إلى حالة إلكترونية جديدة. إن اعتماد مقاومة التلامس على تفاصيل التركيب الكيميائي للسطح البيني هو ما يجعل تصنيع نقاط التلامس الأومية بشكل قابل للتكرار تحديًا كبيرًا في مجال التصنيع.

يُعدّ تصنيع الموصلات الأومية جزءًا من هندسة المواد حظي بدراسة مستفيضة ، ومع ذلك لا يزال يُعتبر فنًا بحد ذاته. ويعتمد تصنيع هذه الموصلات بدقة وموثوقية على نظافة سطح أشباه الموصلات بشكلٍ فائق. ونظرًا لتكوّن طبقة أكسيد طبيعية بسرعة على سطح السيليكون ، على سبيل المثال، فإن أداء الموصل يتأثر بشكلٍ كبير بتفاصيل التحضير. غالبًا ما تُطعّم منطقة التلامس بكثافة عالية لضمان نوع التلامس المطلوب. وكقاعدة عامة، تتشكل الموصلات الأومية على أشباه الموصلات بسهولة أكبر عندما يكون شبه الموصل مطعّمًا بكثافة عالية بالقرب من الوصلة؛ إذ يُضيّق التطعيم العالي منطقة الاستنزاف عند السطح البيني، ويسمح للإلكترونات بالتدفق في كلا الاتجاهين بسهولة عند أي جهد انحياز عن طريق النفق الكمومي عبر الحاجز.

تتضمن الخطوات الأساسية في تصنيع الموصلات تنظيف سطح أشباه الموصلات، وترسيب معدن الموصل، والتشكيل، والتلدين. يمكن إجراء تنظيف السطح عن طريق الحفر بالرش، أو الحفر الكيميائي، أو الحفر بالغاز التفاعلي، أو الحفر الأيوني. على سبيل المثال، يمكن إزالة طبقة الأكسيد الطبيعية للسيليكون بغمرها في حمض الهيدروفلوريك ، بينما يُنظف زرنيخيد الغاليوم عادةً بغمره في محلول البروم والميثانول. بعد التنظيف، تُرسّب المعادن عن طريق الترسيب بالرش ، أو التبخير، أو الترسيب الكيميائي للبخار (CVD). يُعدّ الترسيب بالرش طريقة أسرع وأكثر ملاءمة لترسيب المعادن من التبخير، ولكن قد يؤدي قصف الأيونات من البلازما إلى ظهور حالات سطحية أو حتى عكس نوع حاملات الشحنة على السطح. لهذا السبب، قد يُستخدم الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) الألطف ولكنه لا يزال سريعًا. يُفيد التلدين اللاحق للترسيب في تخفيف الإجهاد، وكذلك في تحفيز أي تفاعلات مرغوبة بين المعدن وشبه الموصل.

نظرًا لأن المعادن المترسبة قد تتفاعل في الظروف المحيطة، مما يؤثر سلبًا على الخصائص الكهربائية للوصلات، فمن الشائع تكوين وصلات أومية باستخدام هياكل متعددة الطبقات، حيث تُختار الطبقة السفلية، المتصلة بأشباه الموصلات، لقدرتها على إحداث سلوك أومي. ويمكن استخدام طبقة حاجز انتشار لمنع اختلاط الطبقات أثناء أي عملية تلدين.

يتم قياس مقاومة التلامس ببساطة باستخدام مسبار رباعي النقاط، على الرغم من أن استخدام طريقة خط النقل هو الطريقة الشائعة للحصول على تحديد أكثر دقة.

كان الألومنيوم في الأصل أهم معدن يُستخدم في توصيل السيليكون، سواءً مع أشباه الموصلات من النوع السالب (n) أو النوع الموجب (p). وكما هو الحال مع المعادن النشطة الأخرى، يُساهم الألومنيوم في تكوين التوصيلات عن طريق استهلاك الأكسجين من بقايا ثاني أكسيد السيليكون الطبيعي. ولأن الألومنيوم النقي يتفاعل مع السيليكون، فقد استُبدل بالألومنيوم المُطعّم بالسيليكون، ثم لاحقًا بالسيليسيدات الأقل عرضةً للانتشار أثناء عمليات المعالجة اللاحقة في درجات الحرارة العالية.

تُصنع الموصلات الأومية الحديثة للسيليكون، مثل موصلات ثاني سيليسيد التيتانيوم والتنغستن، عادةً من السيليسيدات بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD). ويتم تصنيع هذه الموصلات غالبًا بترسيب المعدن الانتقالي وتشكيل السيليسيد عن طريق التلدين ، مما قد ينتج عنه سيليسيد غير متكافئ التركيب . كما يمكن ترسيب موصلات السيليسيد عن طريق التذرية المباشرة للمركب أو عن طريق زرع أيونات المعدن الانتقالي متبوعًا بالتلدين.

يُعدّ تكوين نقاط التلامس مع أشباه الموصلات المركبة أكثر صعوبةً بكثير من تكوينها مع السيليكون. فعلى سبيل المثال، تميل أسطح زرنيخيد الغاليوم (GaAs) إلى فقدان الزرنيخ ، ويمكن أن يتفاقم هذا الفقدان بشكل ملحوظ عند ترسيب المعدن. إضافةً إلى ذلك، تحدّ تقلبات الزرنيخ من كمية التلدين التي تتحملها أجهزة زرنيخيد الغاليوم بعد الترسيب. يتمثل أحد الحلول لزرنيخيد الغاليوم وأشباه الموصلات المركبة الأخرى في ترسيب طبقة تلامس من سبيكة ذات فجوة طاقة منخفضة بدلاً من طبقة عالية التشويب. فعلى سبيل المثال، يتميز زرنيخيد الغاليوم نفسه بفجوة طاقة أصغر من زرنيخيد الألومنيوم والغاليوم، وبالتالي فإن طبقة من زرنيخيد الغاليوم بالقرب من سطحه يمكن أن تعزز السلوك الأومي. وبشكل عام، فإن تقنية نقاط التلامس الأومية لأشباه الموصلات من النوعين III-V و II-VI أقل تطوراً بكثير من تقنية السيليكون.

تُعدّ الموصلات الشفافة أو شبه الشفافة ضرورية لشاشات الكريستال السائل ذات المصفوفة النشطة ، والأجهزة الكهروضوئية مثل ثنائيات الليزر والخلايا الكهروضوئية . ويُعدّ أكسيد الإنديوم والقصدير الخيار الأكثر شيوعًا ، وهو معدن يُشكّل عن طريق الترسيب التفاعلي لهدف من الإنديوم والقصدير في جوّ أكسيدي.

يمكن أن يحد ثابت الزمن RC المرتبط بمقاومة التلامس من استجابة التردد للأجهزة. ويُعد شحن وتفريغ مقاومة الأطراف سببًا رئيسيًا لتبديد الطاقة في الإلكترونيات الرقمية عالية التردد . كما تتسبب مقاومة التلامس في تبديد الطاقة عن طريق التسخين الجولي في الدوائر التناظرية ومنخفضة التردد (مثل الخلايا الشمسية ) المصنوعة من أشباه موصلات أقل شيوعًا. ويُعد تطوير منهجية لتصنيع التلامس جزءًا أساسيًا من التطوير التكنولوجي لأي شبه موصل جديد. كما تُشكل الهجرة الكهربائية وانفصال الطبقات عند نقاط التلامس عائقًا أمام عمر الأجهزة الإلكترونية.

• سزي، إس إم (1981). فيزياء أجهزة أشباه الموصلات . جون وايلي وأولاده. ISBN 978-0-471-05661-4.مناقشة النظرية بالإضافة إلى تطبيقاتها العملية.
• زانغويل، أندرو (1988). الفيزياء على الأسطح . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0-521-34752-5.تتناول هذه الدراسة نقاط الاتصال من منظور حالات السطح وإعادة البناء.

• تُعد مجلة الجمعية الأمريكية للفراغ ، ومجلة الأغشية الصلبة الرقيقة ، ومجلة الجمعية الكهروكيميائية من المجلات التي تنشر الأبحاث الحالية حول التوصيلات الأومية.