基本介紹
- 中文名：Schottky勢壘
- 外文名：Schottky Barrier
- 全稱：肖特基勢壘
- 提出時間：1938年
- 提出者：Schottky
- 套用：肖特基勢壘二極體
簡介,原理,肖特基勢壘二極體,肖特基勢壘二極體的套用及發展,
簡介
金屬-半導體接觸時，在半導體表面層內將形成勢壘。Schottky曾在忽略界面態的理想情況下提出了金屬-半導體接觸勢壘的模型，故稱為Schottky勢壘。1938年德國物理學家Schottky利用肖特基勢壘理論即半導體記憶體在穩定均勻分布的空間電荷層而形成勢壘，解釋了金屬-半導體接觸非對稱性的導電特性。隨著肖特基接觸基本理論日漸成熟，利用金屬-半導體接觸形成的肖特基勢壘原理製作的肖特基勢壘二極體研究漸漸升溫。20世紀80年代後隨著半導體工藝技術的發展，肖特基勢壘二極體（SBD）的發展逐步走向成熟。
由於肖特基勢壘具有較低的界面電壓，可被套用在某器件需要近似於一個理想二極體的地方。在電路設計中，它們也同時與一般的二極體及電晶體一起使用, 其主要的功能是利用其較低的界面電壓來保護電路上的其它器件。然而，自始至終肖特基器件相較於其它半導體器件來說能被套用的領域並不廣。
原理
考慮金屬與N型半導體相接觸，接觸前其能帶如圖1(a)所示。如金屬功函式WM大於半導體的功函式Ws，則將有電子從半導體轉移到金屬，平衡時兩者Fermi能級相等。結果在界面附近形成 一電偶層，並使半導體一側表面能帶發生彎曲，形成電子勢壘（圖1(b)）。通常把金屬中電子所面臨的勢壘高度φM稱金屬-半導體接觸勢壘。按照Schottky模型， 顯然有φM=WM-x，其中x為半導體中電子親和勢。對於P型半導體，則有φM=χ+Eg-WM，式中Eg為帶隙寬度，並假定χ+Eg>WM。Schottky在忽略界面態的情況下，曾用耗盡層近似來計算半導體表面Schottky勢壘的形狀。對於N型半導體有φM=qNd(l-x)/2εS+ξ，式中Nd為施主濃度，ξ為半導體中Fermi能級至導帶底的距離，x的原點選在界面，並限定0≤x≤l(l為耗盡層寬度)。上式給出了一個拋物線形狀的勢壘。它處於界面的半導體一側，是由電離雜質的空間電荷形成的。
圖1
圖1在上述勢壘中，當金屬相對於N型半導體加正電壓時，半導體中電子勢壘降低，而φM保持不變， 故有更大的電子流從半導體流向金屬，即形成較大的正向電流. 而當反向偏置時，半導體中勢壘升高，流向金屬的電子流顯著減小。這就是Schottky勢壘的整流特性。
Schottky勢壘區的電荷和電勢分布情況與單邊突變PN結相似，故Schottky勢壘也存在一個勢壘電容
。式中εS為半導體介電常數、N為半導體中摻雜濃度、VD為半導體的自建勢、V為外加電壓. 由此可見，Schottky勢壘的電容也是一個依賴於外加電壓的微分電容。
肖特基勢壘二極體
肖特基勢壘二極體（Schottky barrier diodes，SBD）是一種基於肖特基勢壘理論的二極體，是金屬與半導體材料相互接觸，且形成一定的勢壘後開始工作的一種多數載流子器件，具有低正向壓降、高頻低功耗、大電流等一系列特點。適用於高頻整流和開關電路及保護電路在低壓、大電流場合時作續流和整流之用，如DC/DC變頻器、無工頻變壓器、開關電源的整流和續流。作為一種低壓整流器件，它具有提高電路的整流效率、降低正向功耗、提高工作頻率以及減小電路噪聲的作用。除可在高速邏輯電路中用作箝位，在通信電源、變頻器和高速計算機中也得到了廣泛的套用。由於肖特基二極體漂移區導通串聯電阻的存在，限制了其反向耐壓值的大小，因此只適用於200V內的電子電路中，而且肖特基勢壘的耐高溫性差、軟擊穿嚴重以及反向漏電流大，使其在高壓領域不能得以廣泛的套用。由此，浙江大學矽材料國家重點實驗室經過長期的研究，在超高真空環境下採用化學氣相沉積的方法製備的肖特基二極體具有較小的串聯電阻，提高了器件的使用頻率，使得肖特基二極體具有了更廣闊的套用前景。
肖特基勢壘二極體的套用及發展
隨著移動通訊技術以及軍事等高科技的發展，SBD二極體在無線通信以及電力系統等領域有著廣泛的套用。同時人們對其性能的要求也越來越高，具有耐高溫特性以及更高頻率回響和低功率損耗等優點的SBD二極體成為了科研人員的研究重點，使得肖特基勢壘二極體在相關材料的生長工藝、器件的製備工藝等方面得到了空前的發展。
1874年，Braun首次提出了金屬與半導體相互接觸時，所形成的勢壘導電性具有非對稱性，直到1938年肖特基勢壘的指出、1942年熱發射理論的提出，逐漸使人們開始了對金屬—半導體接觸的研究。80年代後，隨著器件在工藝方面的進步，肖特基勢壘二極體逐漸走向了成熟的發展階段。傳統肖特基二極體結構主要有兩類。
除了前面介紹的傳統肖特基二極體結構，國內外學者對功率肖特基器件的研究從未停止過。採用SiC、GaN、GaAs、金剛石等新材料製備高性能的肖特基二極體，由於新材料固有的優良特性，使得製備的肖特基二極體比普通的矽材料製備的器件具有更高的耐壓性和抗高溫性。2003年，Gree公司採用4H-SiC和金屬Ti與鎳矽化物接觸形成雙金屬溝槽結構的肖特基二極體（DMT），此種結構的肖特基二極體在保持原有的低正向壓降的基礎上改善了其反向耐壓特性。2004年，Lin Zhu等人將具有劃時代意義的超結（SJ）理論套用於4H-SiC SBD。2008年，JohjiNishio等人將浮結結構套用於SBD（即FJ-SBD），同時與寬禁帶的SiC材料相結合，在外延層厚度、摻雜濃度相同的條件下，製備的FJ-SBD比傳統結構的SBD耐壓值高且導通電阻有所降低。同年Gree公司報導了耐壓值達10KV的JBS二極體。
