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肖特基二极管模型及电学参数分析概述

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TOC\o1-3\h\u13539肖特基二极管模型及电学参数分析概述 1

42741.1肖特基二极管器件模型 1

180921.2肖特基二极管的正向导通特性（I-V特性） 1

213731.1.1肖特基二极管载流子的运输 1

163831.1.2肖特基二极管的I-V特性 4

92231.3肖特基二极管的C-V特性 5

51091.4结终端技术 5

261231.4.1场板（FP）技术 6

267081.4.2场限环（GR）技术 7

74991.4.3结终端拓展（JTE）技术 8

1.1肖特基二极管器件模型

由金属与半导体进行接触，可以形成肖特基接触/肖特基结，所制备而成的二极管即为肖特基二极管（Schottybarrierdiode，SBD），该器件的剖面结构如图1.1所示。

图2-1SBD器件剖面结构图

相比于传统的Si材料，SiC材料具有更优秀的物理、电学特性，因而SiC材料成为新一代半导体理想材料，被应用到高频、大功率、耐高温、抗辐射以及光电集成器件等领域。使用SiC材料制备的肖特基二极管可以在大于3kV的大功率电路中工作REF_Ref18673\r\h[17]。对于SiC肖特基二极管，其工作使存在的影响参数包括开关时间、反向漏电流、反向击穿电压、阈值电压、损耗等。

1.2肖特基二极管的正向导通特性（I-V特性）

1.1.1肖特基二极管载流子的运输

肖特基二极管的电流的形成主要靠半导体一侧含量较多的载流子向载流子含量较少的金属一侧扩散而成，因此这种器件为多子器件，具有单向导通特性。当金属与p型半导体进行接触，此时的含量较多的载流子为空穴，而对于金属与n型半导体接触，此时器件中含量较多的则为电子。与少子器件不同的是，多子器件不存在少子寿命问题。

对于肖特基二极管而言，当外加正向偏压时，由于受器件本身材料、器件结构，工作时的温度、电压等多重问题的影响，其内部电流产生机制并不单一，而是多种电流机制共同作用产生的结果，也就是说存在多种电流运输机制并存的情况。通常情况下，肖特基二极管内部电流有以下五种基本形式REF_Ref2214\r\h[18]：

耗尽区电子扩散形成电流；

空穴向半导体一侧注入并扩散形成电流；

电子越过势垒区发射形成电流；

量子穿过薄势垒层形成隧穿电流；

电子和空穴在漂移区内复合形成复合电流。

当外加正向偏压时，金属-半导体形成肖特基接触的能带图及该体系中电流运输的机制如下图所示：

图2-2正向偏压下肖特基接触能带图及电流运输的五种基本形式

除了图1.2所示的五种基本电流形式以外，在局部高电场下，金属与半导体接触的边缘处，肖特基二极管还可能存在泄漏电流以及金属与半导体接触的界面上存在缺陷的情况下，接触界面上的缺陷也会导致界面电流等。但是虽然有这么多机制同时存在，但是每种电流的对总电流影响的主次程度并不相同，这主要与所掺杂质的含量以及温度等因素有关。

扩散理论

假设x表示平均自由程，d表示势垒宽度。当半导体中的载流子迁移率较低的时候，xd，这时在势垒区内电子会碰撞很多次，这些碰撞不能忽略，所以称之为厚阻挡层。这种厚阻挡层就非常适合用扩散理论来研究。在阻挡层很厚的情况下，载流子浓度受又会受到势垒区内的电场影响，进而影响到电流。

热电子发射模型（TE模型）

当xd的时候，很显然这种体系不再适用扩散理论，这时候势垒高度起到决定作用，这时候我们可以用热电子发射模型来解释。我们可以认为，只要电子的能量足够高，以至于高到超过势垒的最高点，这样电子就能够完全自由地跨过势垒区，从而流进金属一边，对于金属一侧的电子也是如此，这时对于空间电荷区中载流子而言，他们的扩散和漂移引起的电流都可以忽略不计。这样我们需要要计算能量高到足以跨过势垒的载流子数目，就能计算出电流，这就是热电子发射理论。根据热电子发射理论我们可以得到关系REF_Ref17982\n\h[19]：

（2-1）

本式中，表示饱和电流，即表示在关系曲线图中当时的电流密度，其表达式为:

（2-2）

在上述公式中，表示肖特基接触区域的总面积；为外加电压；为玻尔兹曼常数；，为热力学温度，为电荷量；为理想因子，代表肖特基二极管实际势垒高度偏离理想势垒高度的程度，；表示肖特基势垒高度；为理查森（Richardson）常数，其表达式如公式（2-3）所示，4H-SiC材料的其理查森常数为。