半導(dǎo)體知識(shí)|肖特基勢(shì)壘與歐姆接觸-KIA MOS管

肖特基勢(shì)壘與歐姆接觸

模型理解

我們知道，N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體接觸會(huì)因?yàn)檩d流子的擴(kuò)散形成耗盡區(qū)，從而形成PN節(jié)。當(dāng)金屬與半導(dǎo)體接觸時(shí)會(huì)怎樣呢？

其中一種情況是，金屬與N型半導(dǎo)體接觸，半導(dǎo)體中的截流電子擴(kuò)散進(jìn)入金屬，從而在半導(dǎo)體中形成耗盡區(qū)與內(nèi)建電場(chǎng)，如下圖

肖特基勢(shì)壘歐姆接觸

這種情況與PN節(jié)是類似的。

如何確定電子是由半導(dǎo)體進(jìn)入金屬還是從金屬進(jìn)入半導(dǎo)體呢，這就需要使用能級(jí)的概念來(lái)理解。

能級(jí)理解

金屬材料的導(dǎo)帶與價(jià)帶是有重疊的，費(fèi)米能級(jí)就處于導(dǎo)帶中。半導(dǎo)體的導(dǎo)帶與價(jià)帶是分離的，其費(fèi)米能級(jí)處于導(dǎo)帶與價(jià)帶之間，對(duì)于本征半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)處于正中間，對(duì)于N型半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)靠近導(dǎo)帶，P型半導(dǎo)體中費(fèi)米能級(jí)靠近價(jià)帶。

肖特基勢(shì)壘歐姆接觸

另外要知道的概念是材料的功函數(shù)(work function)和半導(dǎo)體的電子親和力(electron affinity)。功函數(shù)表示要讓電子從材料中逃逸到自由空間中的最小熱能量，電子親和力表示電子從自由空間掉落到半導(dǎo)體導(dǎo)帶底部所釋放的能量。兩個(gè)概念見(jiàn)下圖：

肖特基勢(shì)壘歐姆接觸

而當(dāng)兩種材料接觸時(shí)，載流子擴(kuò)散流動(dòng)必須使接觸面兩側(cè)的費(fèi)米能級(jí)相等才能達(dá)到平衡狀態(tài)。所以接觸后半導(dǎo)體中的能帶會(huì)因內(nèi)建電場(chǎng)而彎曲，如下圖：

肖特基勢(shì)壘歐姆接觸

這樣就在接觸面形成了電子的勢(shì)壘，稱為肖特基勢(shì)壘(schottky barrier)。形成整流節(jié)(rectifying junction)。肖特基二極管就是利用該原理工作的。

下圖中為該整流節(jié)在平衡情況、正向偏壓、負(fù)向偏壓下能級(jí)情況以及該整流節(jié)的VI特性：

肖特基勢(shì)壘歐姆接觸

正向偏壓時(shí)由于外電場(chǎng)的存在抬高了半導(dǎo)體側(cè)的費(fèi)米能級(jí)，使得半導(dǎo)體中的電子面臨的勢(shì)壘高度降低，從而更容易流過(guò)接觸面進(jìn)入金屬。負(fù)向偏壓時(shí)加大了該勢(shì)壘。

歐姆接觸

很多時(shí)候我們并不想在金屬與半導(dǎo)體接觸面出現(xiàn)該勢(shì)壘，比如半導(dǎo)體器件用金屬引線引出信號(hào)。理論上有兩種方式，一是降低勢(shì)壘高度，使載流子不需要很高的能量就可以躍過(guò)勢(shì)壘；二是大幅減小勢(shì)壘寬度，使載流子以隧穿的方式穿過(guò)。

如果通過(guò)選擇不同材料，使半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)小于金屬的費(fèi)米能級(jí)，則接觸面能帶情況將如下圖所示：

肖特基勢(shì)壘歐姆接觸

這樣電子從半導(dǎo)體進(jìn)入金屬?zèng)]有勢(shì)壘，而從金屬進(jìn)入半導(dǎo)體只有很小的勢(shì)壘，比較小的電壓就可以使電子輕松躍過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入半導(dǎo)體。這樣就是歐姆接觸(ohmic contact)的情況，當(dāng)然其VI曲線并不是像理想歐姆電阻一樣的直線，而是近似直線。

另一種方式是通過(guò)重?fù)诫s的方式，使形成的勢(shì)壘寬度很窄，這樣電子可以不用躍過(guò)勢(shì)壘而直接通過(guò)隧穿流過(guò)接觸面，正向偏壓、負(fù)向偏壓與VI特性(黑色曲線)如下圖：

肖特基勢(shì)壘歐姆接觸