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肖特基势垒与欧姆接触

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2020/04/11 Share

肖特基势垒

参考:https://www.jianshu.com/p/c78e70cb22a1
这个大哥很言简意赅,但里面有些东西让我纠结了一会
之后参考金属半导体结:https://wenku.baidu.com/view/afe3426730126edb6f1aff00bed5b9f3f80f7211.html
二极管:https://wenku.baidu.com/view/ec9fefebb9f67c1cfad6195f312b3169a451ea29.html

当N型半导体和P型半导体接触时,由于载流子的扩散形成耗尽层,从而形成PN节。
而当金属与半导体接触时,电子与空穴的扩散同样会导致耗尽层与内建电场的形成,此时内建电场的方向从N型半导体指向金属,如下图:
GHfKc6.png

功函数表示要让电子从材料中逃逸到自由空间中的最小热能量,电子亲和势表示电子从自由空间掉落到半导体导带底部所释放的能量。
GHfCcV.png

当金属与半导体接触时,载流子扩散流动必须使接触面两侧的费米能级相等才能达到平衡状态,所以接触后半导体中的能带会因为载流子扩散而形成的内建电场而弯曲,

以n型半导体为例,当金属功函数小于半导体功函数时,如下图:
GHfA74.png

能带的弯曲导致了势垒的形成,从能带图上看,电子不能随意地从半导体导带低移动到金属上,这样在接触面就会形成了电子的势垒,称为肖特基势垒(Schottky Barrier),对应地形成了整流结,而对应于图1,因为内建电场的形成导致了达到平衡状态之后载流子不能随意在界面之间穿越,肖特基二极管就是利用该原理工作的。

联系传统的PN结二极管,在正向偏压(即金属加正电压、而N型半导体加负电压,电场方向从金属指向N型半导体)的情况下

从能带图上看,正向偏压时由于外电场的存在,抬高了半导体侧的费米能级(即削弱了内建电场,促进了电子往金属迁移),使得半导体中的电子面临的势垒高度降低,从而更容易流过接触面进入金属,而在加负向偏压时则会加大该势垒(增强了内建电场,抑制了N区电子的迁移)
GHfdjf.png

欧姆接触

很多时候我们并不想在金属与半导体接触面出现肖特基势垒,比如半导体器件用金属引线引出信号。
理论上有两种方式,一是降低势垒高度,使载流子不需要很高的能量就可以跃过势垒;二是大幅减小势垒宽度,使载流子以隧穿的方式穿过。

如果通过选择不同材料,使半导体的费米能级小于金属的费米能级,则接触面能带情况将如下图所示:
GHfWvV.png

这样电子从半导体进入金属没有势垒,而从金属进入半导体只有很小的势垒,比较小的电压就可以使电子轻松跃过势垒进入半导体。这样就是欧姆接触(OhmicContact)的情况,当然其IV曲线并不是像理想欧姆电阻一样的直线,而是近似直线。

另一种方式是通过重掺杂的方式,使形成的势垒宽度很窄,这样电子可以不用跃过势垒而直接通过隧穿流过接触面,正向偏压、负向偏压与IV特性(黑色曲线)如下图:
GHf759.png

所以从IV曲线上可以简单地区分对应半导体与金属之间形成了肖特基接触还是欧姆接触。欧姆接触不具有整流特性,正向电压无论加在电极的哪一端,电流都和电压成正比,类似于一个小电阻的作用。

肖特基二极管

肖特基二极管是以贵金属(金、银、铝、铂等)A为正极,以N型半导体B为负极,利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。因为N型半导体中存在着大量的电子,贵金属中仅有极少量的自由电子,所以电子便从浓度高的B中向浓度低的A中扩散。显然,金属A中没有空穴(只有金属阳离子和电子),也就不存在空穴自A向B的扩散运动。随着电子不断从B扩散到A,B表面电子浓度逐渐降低,表面电中性被破坏,少子空穴相对浓度提高,于是就形成势垒,其电场方向为B→A。但在该电场作用之下,A中的电子也会产生从A→B的漂移运动,从而削弱了由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后,电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡,便形成了肖特基势垒。

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  1. 1. 肖特基势垒
  2. 2. 欧姆接触