Chapitre V: Les contacts I) Contact métal-métal II) Contact Métal-Semi-conducteur contact redresseur :Diode Schottky Contact ohmique III) Contact Métal-Isolant-Semi-conducteur structure MIS ou MOS 1
Rappels : Bandes d’énergie dans les matériaux Energie
Métal Niveau du videEv=0
EF
Représentation des bandes d'énergie
16/12/2015 08:43
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I) Contact Métal-Métal La structure Métal-Métal I.1. Introduction. La structure Métal-Semi-conducteur (M-SC) est le dispositif unipolaire le plus simple. Il est à la base d'un grand nombre de structures plus complexes. Dispositif unipolaire : un seul type de porteurs (électrons ou trous) participe de façon importante à la conduction du courant et détermine les conditions de fonctionnement du dispositif. Souvent l'application d'une tension sur une structure MS produit une caractéristique I(V) non symétrique, la structure se comporte comme un redresseur : c'est une diode SCHOTTKY.
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Certaines structures M-SC peuvent présenter des caractéristiques I(V) très symétriques, ce sont alors des contacts ohmiques. La maîtrise des contacts ohmiques est capitale pour réaliser les connexions entres les différentes structures d'un circuit intégré. Les structures M-SC sont particulièrement bien adaptées à la technologie silicium. Elles sont souvent réalisées en ouvrant une fenêtre dans une couche d'oxyde et en déposant sous vide un film métallique qui entre en contact intime avec le semiconducteur.
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I.2 Effets de surface. I. 2.1 Travail de sortie. Dans le métal, l'électron de conduction est soumis à un ensemble de forces d'interaction dont la résultante est nulle, il peut se déplacer librement. Quand l'électron arrive à la surface du métal, la compensation des forces d'interaction entre-elles n'est plus totale, l'électron est retenu à l'intérieur du métal. Pour extraire un électron du métal, il faudra donc lui fournir de l'énergie. On appelle Niveau du Vide (Vacuum level), noté NV, l'énergie d'un électron extrait du corps et sans vitesse initiale. C'est l'énergie potentielle de l'électron dans le vide au voisinage du corps étudié. 5
Energie
Métal Niveau du vide Evide0
Le travail de sortie d'un métal est : q Fm = Ev - EF
qFm
EF
Travail de sortie d'un métal On appelle travail de sortie (work function) l'énergie qu'il faut fournir à un électron situé au niveau de FERMI pour l'arracher du métal et l'amener au niveau du vide NV. 6
C'est une constante physique du métal considéré. Métaux à faible travail de sortie Fm(eV)
Fm (eV)
Li
Na
K
Rb
Cs
Fr
2.3
2.3
2.2
2.2
1.8
1.8
Cr
Métaux à fort travail de sortie Fe Ni Al Cu Ag
Au
Pt
4.6
4.4
4.8
5.3
4.4
4.3
4.4
4.3
Dans les semi-conducteurs et les isolants, le travail de sortie qFs est défini de la même manière. Cependant pour les semi-conducteurs, la position du niveau de FERMI dépend du dopage et qFs n’est pas une constante physique du matériau.
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I. 2.2. Structure Métal-Métal. Energie
Avant contact Energie
Métal 1 Niveau du vide Evide0
qFm1
Métal 2 Niveau du vide
Evide=0
qFm2
EF EF2
Métal 1
Métal 2
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Après contact Energie
Energie
Métal 1 Niveau du vide
Métal 2 Evide=0
Niveau du vide
qFm1
Evide=0
qFm2 e-
EF1
EF2 Métal 1
EF
Métal 2 ++ ++ ++ ++
-----
E : Champ de contact Potentiel de contact
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Les électrons du métal 1 vont diffuser vers le métal 2 où ils trouvent des niveaux d’énergie plus bas, qu’ils peuvent occuper. La diffusion continue jusqu’à ce que les niveaux de Fermi s’égalisent ‘‘même niveau à travers toute la structure’’ Du coté du métal 1 il y a appauvrissement en électrons. Du coté du métal 2 il y a enrichissement en électrons. Il apparaît donc un champ interne au niveau du contact et donc un potentiel de contact. 10
II) Contact Métal-Semi-conducteur - Contact redresseur : Diode Schottky - Contact ohmique
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II.1 Affinité électronique Le travail de sortie dans les semi-conducteurs et les isolants, qFs , est défini de la même manière que dans les conducteurs. Or dans les semi-conducteurs, la position du niveau de FERMI dépend du dopage et donc qFs n’est pas une constante physique du matériau. On choisira alors l’affinité électronique (electron affinity) comme l'énergie qu'il faut fournir à un électron situé dans la bas de la bande de condcution BC pour l'amener au niveau du vide. C’est une constante physique du semi-conducteur.
qcs = Evide – Ec
Energie
Semi-conducteur Niveau du vide
qFs
Evide=0
q cs Ec EF
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Affinité électronique des semi-conducteurs les plus utilisés Si
cs (eV) 4.01
Ge
GaP
GaAs GaSb
4.13
4.3
4.07
4.06
SiO2
1.1
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II. 2 Le contact Métal-Semiconducteur. Comme tout contact entre deux matériaux différents, le contact d’un métal avec un semi-conducteur, est conditionné par la différence relative entre le travail de sortie du métal qFm et celui du semi-conducteur qFs (de type N ou P). Dans l'étude suivante, on considérera le contact entre un métal et un semi-conducteur de type "N"
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II.2.1. Cas où qFm = qFs
Avant contact
Energie
Energie
Métal
Energie
Semi-conducteur
Niveau du vide
NV : Evide=0
qFs
qFm
NV Evide=0
q cs
qFs
qFm Ec EFs (N)
EFm
Métal Métal
Après contact
Sc (N)
EFm
Métal Métal
q cs Ec EFs (N)
Sc (N)
Avant contact, nous avons deux systèmes: un métal et un semi-conducteur. Les niveaux de FERMI des deux systèmes (métal EFm et du semi-conducteur EFs (N)) sont égaux. La mise en contact de ces deux matériaux donne lieu à un seul système: 15 Métal-Semicondcuteur.
Cas où qFm = qFs Energie
Après contact
NV Evide=0
qFs
qFm qFb Métal Métal
EFm
q cs Ec EFs (N)
Sc (N)
Les niveaux de Fermi du métal EFm et du semi-conducteur EFs (N) sont égaux même avant contact. Après contact, l’équilibre de la structure est atteint lorsque les niveaux de Fermi s’égalisent après échange de charges. Or ces niveaux sont déjà égaux avant contact. Conclusion: Rien ne se passe (aucun échange de particules)
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Comme il n’y a pas d’échange d’électrons, la densité des électrons dans la bande de conduction du semi-conducteur reste constante de même pourcelle des trous dans la bande de valence. Ces bandes ne subissent aucune courbure, elles restent plates. C'est ce que l'on appelle le régime de bandes plates ( flat-band).
Pour les électrons qui veulent transiter du métal vers le semi-conducteur Il doivent franchir la barrière qFb qui est donnée par :
qFb = qFm - qcs
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II.2.2. Cas où q Fm > q Fs Energie NV Evide=0
Energie
Energie
Semi-conducteur
Métal
qFs q cs
qFm
Ec
qFm
q cs Ec EFs (N)
EFs (N)
EFm
EFm Métal Métal
Métal Métal
qFs
Sc (N)
Sc (N)
Lors de la mise en contact du métal avec le semi-conducteur, les électrons du semi-conducteur occupent des niveaux d’énergie supérieurs à des niveaux non occupés dans le métal. De ce fait les électrons du semi-conducteur situés à proximité de l’interface de la jonction transfèrent vers le métal en laissant derrière eux les atomes donneurs positifs fixes.
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Ce phénomène s'arrête lorsque l'alignement des niveaux de FERMI est réalisé. Une zone désertée (ZCE) apparaît donc dans le semi-conducteur. On supposera que cette zone est entièrement dépourvue de porteurs majoritaires sur une épaisseur W (Hypothèse de SHOCKLEY) . Au delà, la densité des porteurs majoritaires mobiles est égale au dopage N du semi-conducteur. Energie NV Evide=0
qVb
qFm
qFs
qFb
Ec EFs (N)
EFm Métal Métal
q cs
+++ +++ +++
Le surplus d'électrons du côté métal se concentre sur une zone très mince (quelques Angströms) car la densité d'états d'énergie disponibles dans le métal Nm est de l'ordre de 1022 cm-3, très grande par rapport à ND dans le semiconducteur
Sc (N)
W
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A l’équilibre, la hauteur de la barrière qui s'oppose au passage des électrons du métal---> semi-conducteur est :
La hauteur de la barrière qui s'oppose au passage des électrons du semiconducteur---> métal est :
Vb est le potentiel de barrière de la ZCE apparue dans le semi-conducteur (dû à la densité de charge rN=eND). Un contact entre un métal (travail de sortie qFm) et un semi-conducteur (travail de sortie qFs) tels que qFm> qFs , présente à l'interface un phénomène de ZCE. Il s »agit d'une barrière métal-semi-conducteur appelée aussi diode SCHOTTKY (SCHOTTKY barrier).
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II.2.3. Cas où q Fm < q Fs Energie
Energie
Métal
qFm
Semi-conducteur
Energie NV Evide=0
qFs q cs
qFs
EFm
Ec
EFs (N)
Métal Métal
Sc (N)
qFm
q cs Ec
EFm
EFs (N)
Métal Métal
Sc (N)
Lors de la mise en contact du métal et du semi-conducteur, les électrons du métal situés prés de l'interface possèdent une plus grande énergie que ceux du semi-conducteur. Ils vont donc transférer vers celui-ci.
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Energie NV Evide=0
qVb
q cs
qFs
qFm
Ec EFs (N)
EFm
Métal Métal
+ + + + +
_ _ _ _ _
Sc (N)
Il apparaît une accumulation des électrons majoritaires dans le semi-conducteur, et une zone de déficit en électrons dans le métal (phénomène insignifiant). Il n‘y a pas de zone dépourvue de porteurs majoritaires (ZCE) dans la structure. Cette jonction conduira l'électricité dès qu'une tension sera appliquée. Le contact est ohmique (passage du courant dans les deux sens).
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Conclusion: Un contact métal-semi-conducteur 'N' est :
•Redresseur : formation d’une barrière si qFm > qFs (N) •Ohmique : si qFm < qFs (N)
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Dans le cas d'un contact métal-semi-conducteur de type "P", le raisonnement se fait sur les trous majoritaires. et les résultats sont inversés: qFm > qFs (P): le contact est ohmique, qFm < qFs (P): le contact est redresseur.
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III. La diode SCHOTTKY. La diode SCHOTTKY exploite l'effet redresseur que peut présenter une structure M-SC. Les premières diodes à l'état solide (diodes des postes à galène) étaient de ce type et furent découvertes par F. BRAUN en 1874.
III.1. La diode SCHOTTKY non polarisée.
La barrière Métal-Semiconducteur
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Considérons une structure M-SC 'N' avec qFm > qFs .Nous avons vu que : dans le sens Métal --->SC il existe une barrière d’énergie de hauteur :
dans le sens SC--->Métal il existe une barrière d’énergie :
Pour mener cette étude, nous considérons les hypothèses suivantes : Nous supposons que : •Le dopage ND du semi-conducteur est constant. •La densité des électrons mobiles dans le métal est Nm>>ND. •La surface S de la structure est plane. •La ZCE d'épaisseur W est totalement dépourvue de porteurs majoritaires. •La densité d'états de surface est négligeable.
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Comme dans le cas de jonction PN, pour calculer l'épaisseur W on part de la loi de POISSON: Du coté du semi-conducteur: Et du coté du métal :
(effet sur une épaisseur xm<< quelques Å
On intègre en tenant compte de la condition que le champ électrique est nul en x=W et partout en de hors de la ZCE : E(W) = 0. On trouve:
en intégrant le champ électrique sur toute la longueur W de ZCE on trouve La largeur W de la ZCE:
comme Nm>>ND l’expression de W devient :
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la présence de la zone de la ZCE génère une capacité statique :
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Passage des électrons à l'interface métal-vide: effet thermoélectronique: On démontre que le courant d'émission I0 d'une cathode métallique (travail de sortie qFm ), situé dans le vide, de surface S, portée à la température T est donné par la relation de RICHARDSON et DUSHMANN :
avec :
R est la constante de RICHARDSON .
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Courant d’émission du métal vers un Matériau semi-conducteur
Dans le cas d'une barrière M-SC, par analogie au contact métal-vide, on peut exprimer le courant d'émission du métal vers le semiconducteur par la relation :
avec R* = R(mn/m0).
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Pour cela on tient compte que l'électron pour quitter le métal doit franchir une barrière qFb (au lieu de qFm ) et il se retrouve dans le semi-conducteur masse effective mn au lieu de m0 : masse dans le vide). La structure n'étant pas polarisée, elle n'est traversée par aucun courant, donc le courant d'émission du métal ---> SC est compensé par un courant de diffusion du SC ---> métal engendré par les électrons de la BC qui ont réussi à franchir la barrière de potentiel (qVb) créée par la ZCE.
La barrière métal-semi-conducteur 'N' où qFm > qFs présente à l'interface du côté SC une ZCE. A l'équilibre thermodynamique (sans polarisation) il existe un courant dû à l'émission d'électrons du métal vers le SC exactement compensé par un courant dû à la diffusion d'électrons du SC vers le métal. Dans cette structure, un seul type de porteurs intervient : l es majoritaires, c'est un composant unipolaire.
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III.2. La diode SCHOTTKY polarisée en direct
Appliquons sur le métal une tension Vj > 0 par rapport au semi-conducteur. Le Niveau de FERMI du métal va "descendre" de qVj par rapport au niveau de FERMI du semi-conducteur (potentiel Vj > 0 appliqué sur une charge -q)
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Dans ces conditions : - la hauteur de barrière Métal vers le semi-conducteur reste la même : qFb - l'énergie de la barrière de potentiel semi-conducteur vers le métal devient :
qV'b = qVb - qVj
Le courant thermo-électronique métal vers le semiconducteur : I0 n'est plus égal au courant de diffusion du SC---> métal:
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I0 exp(qVj/kBT) >> I0 car Vj >0. Il en résulte un courant direct à travers la barrière :
Quand on applique une différence de potentiel positive sur le métal par rapport au semi-conducteur, la barrière est traversée par un courant qui croît exponentiellement en fonction de la tension appliquée. Comme dans le cas de la jonction PN c'est une polarisation directe.
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Une analyse plus détaillée met en évidence l'existence d'un courant dû à la diffusion des trous du semi-conducteur vers le métal :
L'ordre de grandeur entre la quantité de trous (porteurs minoritaires) et la quantité d'électrons (porteurs majoritaires) entraîne que ce courant est négligeable.
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L'ordre de grandeur entre la quantité de trous (porteurs minoritaires) et la quantité d'électrons (porteurs majoritaires) entraîne que ce courant est négligeable. La présence d'états de surface entraîne qu'en pratique l'énergie de la barrière Métal--> SC (qF'b ) se situe entre : qFb = EG - qE0 et.
Expérimentalement le courant direct prend la forme suivante :
avec n : facteur d'idéalité 1< n <2 (la diode est idéale quand n = 1).
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III.3. La diode SCHOTTKY polarisée en inverse. On porte le métal à un potentiel inférieur à celui du semi-conducteur (Vj < 0) :
Le Niveau de FERMI du métal va "monter" de qVj par rapport au niveau de FERMI du semiconducteur (potentiel Vj < 0 appliqué sur une charge -q)
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Dans ces conditions : •la hauteur de barrière Métal--> SC reste la même : qFb •l'énergie de la barrière de potentiel SC---> métal devient : qV"b = qVb - qVj L'épaisseur de la zone désertée est devenue : W" = W(1 - Vj/Vb)1/2 Plus Vj devient négative, plus l'épaisseur de la ZCE augmente et l'évolution de la capacité statique d'une barrière de surface S s'écrit :
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Le courant d'émission d'électrons du métal vers le semi-conducteur est toujours présent, par contre la barrière de potentiel qV"b étant nettement plus importante, le courant de diffusion des électrons du semi-conducteur vers le métal à complètement disparu. Il en résulte un courant inverse traversant la barrière égal à I0. Expérimentalement, il apparaît une légère augmentation du courant inverse en fonction de la tension appliquée. Ce phénomène trouve son origine dans la diminution de la hauteur de la barrière Métal-->SC sous l'effet du champ extérieur :
avec :
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Pour des tensions inverses très grandes (Vj très négative), le champ électrique à l'interface métal-SC devient suffisant pour provoquer un phénomène d'avalanche. La caractéristique I(V) présente une brusque augmentation du courant inverse exactement comme dans la jonction PN.
Quand on applique une différence de potentiel négative sur le métal par rapport au semi-conducteur, la diode SCHOTTKY est traversée par un courant très faible (elle est bloquante). Son schéma électrique se réduit alors à une résistance série tenant compte de l'épaisseur de semi-conducteur et une capacité dont la valeur est fonction de la tension appliquée. Comme dans la jonction PN, on est dans le cas d'une polarisation inverse.
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III.4. Comparaison diode SCHOTTKY et diode PN. La différence fondamentale entre les deux composants est que le fonctionnement fait appel aux porteurs majoritaires dans la diode SCHOTTKY alors que ce sont les porteurs minoritaires qui interviennent dans la diode PN.
Comparaison caractéristique I(V) diode SCHOTTKY et diode PN
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Si les caractéristiques I(V) des diodes SCHOTTKY et des diodes PN sont assez semblables on peut noter les différences suivantes :
le courant inverse de la diode PN est plus faible. le courant direct "décolle " plus tard pour la diode PN (0.3 V pour Al-nSi au lieu de 0.6 V; pour la diode PN).
la variation de la tension directe en fonction de la température est plus faible pour la barrière M-SC que pour la diode PN). le courant inverse est plus sensible à la tension inverse dans la barrière M-SC.
Le fonctionnement en fréquence de la diode SCHOTTKY peut être estimé à partir de la fréquence de coupure (cutoff frequency)
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(pratiquement Rs la résistance série << r). En réalisant des composants de petites tailles dans des matériaux de haute mobilité (GaAs), des fréquences de fonctionnement de l'ordre de 100 GHz sont possibles. Pour une diode PN, la fréquence de coupure est donnée par :
où cd est la capacité dynamique de la jonction qui fait intervenir la durée de vie des porteurs minoritaires. L'absence de capacité de diffusion rend la commutation de la diode SCHOTTKY beaucoup plus rapide que celle de la diode PN.
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III.5. Applications des diodes SCHOTTKY. En plus des usages classiques de la jonction PN, on retrouve pour la barrière SCHOTTKY des utilisations en : Détecteurs mélangeurs. Utilisation de la partie non linéaire de la caractéristique I(V). A partir de :
on peut calculer la courbure de la caractéristique :
Cette grandeur croît avec le courant statique jusqu'à ce que les effets de résistance série interviennent.
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IV. Le contact ohmique. IV.1. Résistance de contact.
Tout échantillon ou structure semi-conductrice est inévitablement reliée à des lignes métalliques de transport du courant. Il est indispensable que l es contacts entre les lignes de transport et le semi-conducteur laissent passer le courant dans les deux sens et présentent des résistances les plus faibles possible. La résistance d'un contact est définie par :
R = Rc/S Rc = résistance spécifique du contact (W. cm2 ) (contact resistance) ; S = surface du contact. On peut diminuer cette résistance en augmentant la surface du contact, mais cela se fait au détriment de la taille des composants donc à la densité d'intégration.
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IV.2. Contact ohmique.
Contact ohmique sur semi-conducteur N
Contact ohmique sur semi-conducteur P
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Un contact ohmique sur un SC'N' est théoriquement réalisable avec un métal de travail de sortie inférieur à celui du semi-conducteur. Malheureusement cette situation idéale est rarement réalisée.
En pratique, on diminue la résistance du contact en surdopant superficiellement la région où l'on veut réaliser le contact : on réalise une couche tampon dégénérée (de 1019 à 1020 cm-3). La ZCE de la barrière ainsi formée entre la couche tampon et le métal du contact est tellement fine que les porteurs peuvent la traverser par effet tunnel. Le contact n'est plus redresseur et la caractéristique I(V) est symétrique.
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Caractéristique I(V) d'un contact ohmique.
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V. Conclusions nous avons vu apparaître dans la structure Métal-Semiconducteur les notions suivantes : •le rôle du travail de sortie du métal et de l'affinité electronique du semiconducteur. •la présence d'une barrière de potentiel du coté semiconducteur. •l'existence d'un courant d'émission du métal vers le semiconducteur et d'un courant de diffusion du semiconducteur vers le métal. •la possibilité grâce à une polarisation extérieure de faire varier l'énergie de la barrière de potentiel donc de faire varier le courant de diffusion. Il en résulte un sens passant et un sens bloqué. •La possibilité d'avoir une structure non bloquante si les valeurs du travail de sortie du métal et de l'affinité électronique sont biens choisies. •l'amélioration des performances en fréquences (fréquence de coupure) de la structure unipolaire par rapport à la structure bipolaire (diode PN).
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Transistor SCHOTTKY
Transistor SCHOTTKY
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