肖特基接触


1. 功函数的差异导致电子迁移

金属的功函数 ( Φ m \Phi_m Φm) 和半导体的功函数 ( Φ s \Phi_s Φs) 通常不同,功函数是将电子从材料内部提取到真空所需的最小能量。

两种情况:
  1. 如果 Φ m > Φ s \Phi_m > \Phi_s Φm>Φs

    • 金属的势能更高,半导体的导带较低。
    • 电子会从半导体流向金属,因为半导体中的电子具有较高的能量,容易“越过”势垒。
    • 导致半导体导带上移,直到半导体的费米能级与金属的费米能级达到平衡。
    • 这种情况下,半导体在界面处形成了耗尽区(Depletion Region)
  2. 如果 Φ m < Φ s \Phi_m < \Phi_s Φm<Φs

    • 电子会从金属流向半导体,形成积累层(Accumulation Layer)。

2. 费米能级对齐:势垒形成

金属和半导体接触时,费米能级(Fermi Level, E F E_F EF)需要达到热力学平衡,也就是两者的费米能级趋于一致。

  • 半导体的导带和价带相对于费米能级的位置会发生变化。
  • 如果 Φ m > Φ s \Phi_m > \Phi_s Φm>Φs,半导体的导带和价带被“抬高”:
    • 导带靠近金属的部分高于导带远离金属的部分,形成一个上升的导带势垒(Schottky Barrier, Φ B \Phi_B ΦB
    • 导致靠近金属的区域内,半导体的自由电子被耗尽,剩下固定的施主离子(Donor Ions)。

3. 耗尽区的形成

关键点:耗尽区是由于电子重新分布造成的。
  1. 半导体靠近金属的部分,自由电子流向金属

    • 自由电子减少后,留下的是固定的施主离子(正电荷)。
    • 这些固定的施主离子形成了耗尽区,耗尽区的宽度用 w w w 表示。
  2. 金属一侧则由于电子积累形成负电荷。

    • 这个负电荷会产生一个向半导体方向的电场
    • 电场的作用是阻止进一步的电子转移,达到平衡时电场强度为零。

4. 泊松方程的应用

为了量化耗尽区内的电势和电荷分布,需要使用泊松方程:
∇ 2 V ( r ) = − ρ ( r ) ϵ \nabla^2 V(r) = - \frac{\rho(r)}{\epsilon} 2V(r)=ϵρ(r)

在肖特基接触中:
  1. 半导体耗尽区的电荷密度为固定的 ρ = q N D \rho = qN_D ρ=qND,即每单位体积内固定离子的电荷密度。

  2. 假设电势仅沿 x x x-方向变化(即平面肖特基接触),泊松方程简化为:
    d 2 V ( x ) d x 2 = − q N D ϵ \frac{d^2 V(x)}{dx^2} = - \frac{qN_D}{\epsilon} dx2d2V(x)=ϵqND

  3. 解方程时,边界条件是:

    • 在耗尽区以外( x > w x > w x>w),电场和电势趋于零。
    • 在耗尽区边界( x = w x = w x=w),电势值为肖特基势垒高度 Φ B \Phi_B ΦB

5. 肖特基势垒高度 ( Φ B \Phi_B ΦB)

肖特基势垒高度是金属-半导体接触的一个关键参数,定义为:
Φ B = Φ m − χ \Phi_B = \Phi_m - \chi ΦB=Φmχ
其中:

  • Φ m \Phi_m Φm:金属的功函数
  • χ \chi χ:半导体的电子亲和能(Electron Affinity)

6. 过程总结

  1. 金属功函数大于半导体功函数时,电子从半导体的导带流向金属。
  2. 半导体中由于电子流失,形成耗尽区,留下固定的施主离子。
  3. 耗尽区内形成了电场,阻止更多电子流动,最终达到平衡。
  4. 金属和半导体的费米能级对齐,导带和价带在界面处发生弯曲,形成势垒 Φ B \Phi_B ΦB

7. 补充理解:导带弯曲与势垒图示

可以把能带的变化画成图:

  • 接触前:金属和半导体的费米能级不同,导带平直。
  • 接触后:费米能级对齐,半导体导带靠近界面处上升,形成“坡状”势垒。

这样的能带图能够直观展示势垒的形成过程,以及耗尽区的概念。

### TCAD 中肖特基接触的模拟 #### 肖特基接触的基础理论 肖特基接触是一种属与导体之间的整流结,其形成依赖于功函数差异以及费米能级钉扎效应。在 TCAD 模拟中,肖特基接触的关键在于描述界面处的势垒高度及其对电流-电压特性的影响[^1]。 #### 功函数与势垒高度的关系 属和导体之间形成的势垒高度由 Schottky-Mott 规则决定,即 \( \phi_b = \phi_m - \chi_s \),其中 \( \phi_m \) 是属的功函数,\( \chi_s \) 是导体的电子亲和力。然而,在实际情况下,由于表面态的存在,通常会发生费米能级钉扎现象,这使得计算中的势垒高度可能偏离理想值[^2]。 #### 正向偏置下的行为 当施加正向偏置时,肖特基二极管表现出指数增长的电流特性,遵循 Shockley 方程: \[ I_F = A T_n (e^{q V / k_B T} - 1) \] 这里 \( A \) 表示有效面积,\( T_n \) 是饱和电流密度,\( q \) 和 \( k_B \) 分别代表基本电荷常数和玻尔兹曼常数。通过调整这些参数可以更好地匹配实验数据并优化模型精度。 #### 反向偏置条件分析 在反向偏置状态下,主要关注的是漏电流水平以及击穿电压的位置。对于垂直结构的氧化镓肖特基二极管而言,其典型特征之一便是较高的反向击穿电压——例如约327伏特左右被观察到作为临界阈值点之前的最大允许工作范围边界线位置所在之处。 #### 接触电阻影响因素探讨 除了上述提到的内容之外还需要注意一点就是接触区域内的具体细节设置比如是否存在任何类型的缺陷或者杂质浓度变化等因素都会对接口质量造成不同程度上的干扰进而改变最终得到的结果数值大小关系等等情况都需要仔细考量进去才行这样才能确保整个过程顺利完成达到预期目标效果最佳状态呈现出来给大家看呢! ```python # 示例 Python 代码用于展示如何定义一些基础变量来辅助理解以上概念 import numpy as np def schottky_current(voltage, area=1e-6, temp=300): """ 计算给定电压下肖特基二极管的前向电流 参数: voltage (float): 施加的电压(单位:V) area (float): 器件的有效面积(默认值为 1 平方微米) temp (int/float): 温度,默认设为室温 300K 返回: float: 对应电压下的前向电流强度 """ # 定义物理常量 kbT_q = 0.02585 * (temp / 300.) # 热电压近似表达式 Isat_density = 1e-9 # 饱和电流密度假设值 nA/cm² current = area * Isat_density * (np.exp(voltage / kbT_q) - 1.) return current print(schottky_current(0.5)) ```
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