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肖特基二极管原理及其仿真
关于金半接触（metal-semiconductor，MS）肖特基二极管的理论讲解，由于参考书中有很多关于其详细的讲解，这里只做简要说明，不进行深入讲解。首先要知道几个概念： 真空能级Eo：电子完全脱离材料本身的束缚所需最小能量。 功函数：从费米能级到真空能级的能量差。 电子亲和势：从导带底到真空能级的能量差 金属的功函数：Wm=E0-EFM 半导体的亲和势：χ=E0-EC 半导体的功函数：WS=χ+[EC-EFS]FB 在半导体和金属之间也可以形成整流结，这样的结称为肖特基势垒，利用它制作出的半导体器件称为肖特基二极管。肖特基势垒与PN结有很多相似之处，但它们也表现出来一些明显的不同，下面将结合理论和仿真加以说明。
第一部分 理论分析 一、理论先行，避免走弯路 考虑铝金属与轻掺杂N型硅接触的情况。铝中充满了电子，而N型硅中的电子要远少于铝。有人可能认为电子会从铝（电子多的地方）扩散到硅（电子少的地方）中去。然而，由于铝和硅的电子结构不同，铝中的电子比硅中的电子具有更低的势能。为了让电子从铝扩散到硅中，必须从某些能源（如热激励）中获取能量。铝和硅之间的电势差代表了一个将电子固定在铝中并阻止它们向硅中扩散的势垒。与此同时，该势垒实际上却促进了电子从硅向铝迁移。当电子离开N 型硅后，它们留下了电离杂质原子形成了耗尽区。到达铝的电子在铝表面的一个薄层内堆积。最终，平衡被建立起来，从金属到硅的电子扩散正好抵消了从硅到金属的电子漂移。铝中的过量电子形成了电势差，使铝相对于硅来说带负电。这个电势差称为肖特基势垒的接触电势差，并且在大多数方面与PN 结中的内建电场类似。 由仿真的结果可见，耗尽区在N型半导体侧。 将一个铝型硅肖特基二极管与一个PN结二极管进行比较，会发现一个关键的不同之处。PN结二极管取决于工作时的过量少子数量，所以称为少子器件。而肖特基二极管取决于工作时的过量多子数量，因而称为多子器件。少子器件的开关速度由少子复合速度决定，而多子器件的开关速度却不受此限制。因此，多子器件（如肖特基二极管）可以工作在远高于少了一器件（如PN结二极管）的开关速度下。肖特基二极管的偏压特性类似于PN结二极管。N型硅构成肖特基二极管的阴极，而金属板构成阳极。零偏下的肖特基二极管与前面分析的平衡肖特基势垒的情况相同；反偏下肖特基二极管的半导体端接高电位，金属端接低电位，产生的电压增强了接触电势差。因而耗尽区展宽以平衡电场的增强，此时恢复了平衡态，二极管中只有极小的电流流过。 正偏情况下，将肖特基二极管的金属端接高电位，半导体端接低电位，产生的电压削弱了接触电势差，耗尽区宽度也变窄了。最终接触电压完全被抵消，耗尽区试图在结的金属一侧形成。但由于金属是导体，它不能提供电场，因而无法形成耗尽区以抵消外加电场。于是这个电压将电子从半导体通过二极管扫向金属，此时便有电流流过二极管。 肖特基二极管所表现出的电流电压特性与PN 结二极管类似。肖特基二极管也存在少量从金属注入到半导体中的少子所引发的漏电流，这种导电机制会由于高温而加剧，并具有类似于PN 结二极管的温度特性。肖特基二极管的正向导通压降较低（0.2~0.3V），PN结在0.5~0.7V，但是由于肖特基二极管是多子器件，只有一种载流子参与导电，而PN结有两种载流子参与导电，是少子器件，所以当二极管完全开启后，肖特基二极管的正向导通电流能力远低于PN结。此外当二者均工作在反偏状态时，肖特基的BV较PN结更低，漏电也更大。最后一个方面，多子器件的反向恢复速度快，所以肖特基二极管的反向恢复速度远快于PN结二极管。 肖特基二极管也可以用P型硅来制作，但正向导通电压通常较低。这使得P型肖特基二极管的漏电流很大，因而极少使用大多数实用的肖特基二极管采用轻掺杂的N型硅和一类称为硅化物的材料接触制作。这些物质是由硅和某些金属（如铂和钯）组成的特定混合物。硅化物有着非常稳定的电学特性，因此形成的肖特基二极管具有一致和可重复的特性。
第二部分 仿真验证 一、动手验证理论，更有说服力 01 肖特基二极管的sde仿真命令如下： PN结二极管的sde仿真命令如下： sde-command | sentaurus 仿真的tecplot SV结构查看： 左边是PN接二极管，右边是肖特基二极管 sde-tecplot SV | sentaurus 02 对肖特基二极管进行仿真时，若是阴极接地，阳极直接扫电压，扫出来的是下图红色的曲线，并没有死区，只是个电阻的模式，导致这个错误的原因是在仿真的sdevice中忽略了功函数，因此正确的仿真方法是在sdevice的初识电极的金属电极后面，加上肖特基功函数，再进行电学特性的仿真。图中scottkey workfunction=4.7是根据金属功函数和半导体电子亲和能算出来的，具体的计算方法大家可以自行查阅并带入公式计算求出。包括由肖特基势垒得出肖特基二极管的内建电势Vbi都是有公式可以计算的。 PN结二极管仿真的sdevice初始电极定义部分： 肖特基仿真的sdevice初始电极定义部分：图有误，功函数应加在金属侧，即anode 下图红色是没加功函数的正向IV仿真，蓝色是加了功函数的正向IV仿真，可见加了功函数的仿真才是正确的仿真方法，并且功函数越大，二极管开启电压越大。 sdevice-inspect | sentaurus 05 03 肖特基二极管正向导通特性会随着半导体侧掺杂浓度的升高而变大，原因是载流子注入效率的增加。 sdevice-inspect | sentaurus
04 再看肖特基二极管（红）和PN结二极管（蓝）反向击穿特性的仿真，PN结二极管的漏电和BV均完胜肖特基二极管。一般地，肖特基二极管很难做到150V以上，而PN结二极管，尤其是加了本征区的功率PIN二极管，可以做到大几百甚至几千伏。 sdevice-inspect | sentaurus 05 对器件击穿时刻观测其电场分布，可见肖特基的峰值电场也在界面达到最大。 sdevice-inspect | sentaurus
关于肖特基二极管的反向恢复仿真，可以自行试试看，与PN结相比，肖特基二极管的反向恢复很快。在一篇关于加快超结VDMOS体二极管的反向恢复论文中，已经验证了肖特基二极管对反向恢复的加速作用。 结束语 学术界，综合考虑PN结和肖特基二者的优缺点，创新出了既可以提升导通电流，又可以降低漏电，提升反向恢复速度，可用在高电压电路的二极管，如JBS，MPS这些，在阳极or阴极端采用PN结与肖特基相结合的方式，不利用载流子寿命控制的电子辐照和引入重金属的中心，较成功地实现了正向导通和反向恢复的良好折中关系。关于这部分的探究，感兴趣的，与研究超快恢复的二极管或体二极管的同学，可以去查阅相关的论文，以及相关产品的datasheet进行参考与探究，这里不再赘述。 这里只仿真了金属Al和N型半导体构成的肖特基二极管，感兴趣的可以试试金属和P型半导体，换其他金属（对应着金属功函数的不同），又会有怎样的影响呢？……只要稍微一想，就会有很多问题等着大家探索与验证~
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