半導(dǎo)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(dǎo)體與P型半導(dǎo)體接觸會因為載流子的擴(kuò)散形成耗盡區(qū)，從而形成PN節(jié)。當(dāng)金屬與半導(dǎo)體接觸時會怎樣呢？

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，如下圖

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，這就需要使用能級的概念來理解。

能級理解

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

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。兩個概念見下圖：

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

這樣就在接觸面形成了電子的勢壘，稱為肖特基勢壘(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)向偏壓下能級情況以及該整流節(jié)的VI特性：

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

歐姆接觸

很多時候我們并不想在金屬與半導(dǎo)體接觸面出現(xiàn)該勢壘，比如半導(dǎo)體器件用金屬引線引出信號。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勢壘；二是大幅減小勢壘寬度，使載流子以隧穿的方式穿過。

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

這樣電子從半導(dǎo)體進(jìn)入金屬沒有勢壘，而從金屬進(jìn)入半導(dǎo)體只有很小的勢壘，比較小的電壓就可以使電子輕松躍過勢壘進(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。

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

P型半導(dǎo)體與金屬的接觸面的分析思路與N型半導(dǎo)體類似，只是載流子由電子變?yōu)榭昭āＴ趯嶋H應(yīng)用中也還有很多其它因素影響金屬與半導(dǎo)體接觸面的特性。

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