肖特基势垒与欧姆接触知识介绍

我们知道，N型半导体与P型半导体接触会因为载流子的扩散形成耗尽区，从而形成PN节。当金属与半导体接触时会怎样呢？

其中一种情况是，金属与N型半导体接触，半导体中的截流电子扩散进入金属，从而在半导体中形成耗尽区与内建电场，如下图

这种情况与PN节是类似的。

如何确定电子是由半导体进入金属还是从金属进入半导体呢，这就需要使用能级的概念来理解。

能级理解

金属材料的导带与价带是有重叠的，费米能级就处于导带中。半导体的导带与价带是分离的，其费米能级处于导带与价带之间，对于本征半导体，费米能级处于正中间，对于N型半导体，费米能级靠近导带，P型半导体中费米能级靠近价带。

Fermi level in different materials

Fermi level vs. doping concentration

另外要知道的概念是材料的功函数(work function)和半导体的电子亲和力(electron affinity)。功函数表示要让电子从材料中逃逸到自由空间中的最小热能量，电子亲和力表示电子从自由空间掉落到半导体导带底部所释放的能量。两个概念见下图：

这样就在接触面形成了电子的势垒，称为肖特基势垒(schottky barrier)。形成整流节(rectifying junction)。肖特基二极管就是利用该原理工作的。下图中为该整流节在平衡情况、正向偏压、负向偏压下能级情况以及该整流节的VI特性：

正向偏压时由于外电场的存在抬高了半导体侧的费米能级，使得半导体中的电子面临的势垒高度降低，从而更容易流过接触面进入金属。负向偏压时加大了该势垒。

欧姆接触

很多时候我们并不想在金属与半导体接触面出现该势垒，比如半导体器件用金属引线引出信号。理论上有两种方式，一是降低势垒高度，使载流子不需要很高的能量就可以跃过势垒；二是大幅减小势垒宽度，使载流子以隧穿的方式穿过。

如果通过选择不同材料，使半导体的费米能级小于金属的费米能级，则接触面能带情况将如下图所示：

这样电子从半导体进入金属没有势垒，而从金属进入半导体只有很小的势垒，比较小的电压就可以使电子轻松跃过势垒进入半导体。这样就是欧姆接触(ohmic contact)的情况，当然其VI曲线并不是像理想欧姆电阻一样的直线，而是近似直线。

另一种方式是通过重掺杂的方式，使形成的势垒宽度很窄，这样电子可以不用跃过势垒而直接通过隧穿流过接触面，正向偏压、负向偏压与VI特性(黑色曲线)如下图：

P型半导体与金属的接触面的分析思路与N型半导体类似，只是载流子由电子变为空穴。

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