半導體知識|肖特基勢壘與歐姆接觸-KIA MOS管

肖特基勢壘與歐姆接觸

模型理解

我們知道，N型半導體與P型半導體接觸會(huì )因為載流子的擴散形成耗盡區，從而形成PN節。當金屬與半導體接觸時(shí)會(huì )怎樣呢？

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

肖特基勢壘歐姆接觸

這種情況與PN節是類(lèi)似的。

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

能級理解

金屬材料的導帶與價(jià)帶是有重疊的，費米能級就處于導帶中。半導體的導帶與價(jià)帶是分離的，其費米能級處于導帶與價(jià)帶之間，對于本征半導體，費米能級處于正中間，對于N型半導體，費米能級靠近導帶，P型半導體中費米能級靠近價(jià)帶。

肖特基勢壘歐姆接觸

另外要知道的概念是材料的功函數(work function)和半導體的電子親和力(electron affinity)。功函數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體導帶底部所釋放的能量。兩個(gè)概念見(jiàn)下圖：

肖特基勢壘歐姆接觸

而當兩種材料接觸時(shí)，載流子擴散流動(dòng)必須使接觸面兩側的費米能級相等才能達到平衡狀態(tài)。所以接觸后半導體中的能帶會(huì )因內建電場(chǎng)而彎曲，如下圖：

肖特基勢壘歐姆接觸

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

下圖中為該整流節在平衡情況、正向偏壓、負向偏壓下能級情況以及該整流節的VI特性：

肖特基勢壘歐姆接觸

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

歐姆接觸

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

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

肖特基勢壘歐姆接觸

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

另一種方式是通過(guò)重摻雜的方式，使形成的勢壘寬度很窄，這樣電子可以不用躍過(guò)勢壘而直接通過(guò)隧穿流過(guò)接觸面，正向偏壓、負向偏壓與VI特性(黑色曲線(xiàn))如下圖：

肖特基勢壘歐姆接觸