《涨知识啦33》-SBD器件中的肖特基二极管漏电流机制 (下)
《涨知识啦33》-SBD器件中的肖特基二极管漏电流机制 (下)
根据《涨知识啦》第32期可知，随着反向偏压的增大，肖特基二极管漏电流的增幅远远超过了耗尽区内空间电荷产生电流的水平，随后，研究人员发现在肖特基势垒二极管处于反偏工作下时，是存在镜像力的，因此肖特基势垒高度会随之降低。为了解释上述肖特基势垒降低效应这个现象，我们可以去分析图1所示的金属-半导体能带图。
图1镜像力造成肖特基势垒降低的能带示意图
当半导体体内的一个电子在距离界面x处靠近金属，同样大小的镜像正电荷会出现在距离界面- x 处的金属中。这就在电子上产生一个静电力，即库仑力，可以由下式给出
粒子之间的引力使半导体中的电子产生一个负电势能，这个电势能等于将电子从x处移动到无穷远处所做的功。相应的镜像力电势(V1) 为
把镜像力负电势与肖特基势垒正电势结合起来，会在距离界面XM处出现一个最大值。在这个位置，镜像力电势等于耗尽区内的电势降低，该电势降低与图中用箭头表示的主电场有关。由于最大值接近表面处，可以假设该处的电场近似等于肖特基接触的最大电场。使XM处的镜像力电势(V1) 等于耗尽区内的电势降低(EMXM)，可以得到
因此，由镜像力引起的肖特基势垒高度下降
将该式代入上式中，可以发现肖特基势垒降低取决于金属-半导体体界面的最大电场 (EM)
并且，对于一维器件结构来说，最大的电场与施加的反向偏压 (VR)的关系为
最后，考虑以上分析结果，肖特基势垒二极管的反偏漏电流的计算公式为
另外，我们知道对于肖特基势垒二极管结构来说，在外置反向偏压时，漂移区承受电场，且漂移区恒定掺杂浓度时电场呈三角形分布，最大电场位于金属-半导体接触界面，即如图2所示。因此，对于肖特基势垒二极管，金半接触界面的强电场在镜像力的存在下会使器件在反偏的时候产生很大的漏电流，从而造成器件的过早击穿。
图2肖特基整流二极管中的电场分布
图3 50 V硅基肖特基势垒二极管的漏电流密度
为了很好地理解上面的分析，如图3所示为漂移区掺杂浓度为1×1016cm-3时，考虑势垒降低与倍增过程后漏电流曲线与理想热电子发射曲线的对比图，我们可以发现考虑势垒降低与倍增过程后随电压增大漏电流增大效应非常明显，特别是在电压VR = 50 V时，大约增大了1个量级。
参考文献
B. J. Baliga, Fundamentals of Power Semiconductor Devices. New York, NY, USA: Springer, 2008.