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肖特基勢壘是指具有整流特性的金屬-半導體結,適合用於二極體。

1 肖特基勢壘 -基本概念

  肖特基勢壘是指具有整流特性的金屬-半導體接觸,就如同二極體具有整流特性。是金屬-半導體邊界上形成的具有整流作用的區域。
  金屬與n型半導體形成的肖特基勢壘如圖1所示。金屬—半導體作為一個整體在熱平衡時有同樣費米能級。肖特基勢壘相較於PN接面最大的區別在於具有較低的接面電壓,以及在金屬端具有相當薄的(幾乎不存在)空乏區寬度。由半導體到金屬,電子需要克服勢壘;而由金屬向半導體,電子受勢壘阻擋。在加正向偏置時半導體一側的勢壘下降;相反,在加反向偏置時,半導體一側勢壘增高。使得金屬-半導體接觸具有整流作用(但不是一切金屬—半導體接觸均如此。如果對於P型半導體,金屬的功函數大於半導體的功函數,對於N型半導體,金屬的功函數小於半導體的功函數,以及半導體雜質濃度不小於10^19/立方厘米數量級時會出現歐姆接觸,它會因雜質濃度高而發生隧道效應,以致勢壘不起整流作用。並非所有的金屬-半導體接面都是具有整流特性的,不具有整流特性的金屬-半導體接面則稱為歐姆接觸。整流屬性決定於金屬的功函、固有半導體的能隙,以及半導體的摻雜類型及濃度。在設計半導體器件時需要對肖特基效應相當熟悉,以確保不會在需要歐姆接觸的地方意外地產生肖特基勢壘。當半導體均勻摻雜時肖特基勢壘的空間電荷層寬度和單邊突變P-N結的耗盡層寬度相一致。

2 肖特基勢壘 -優點

  由於肖特基勢壘具有較低的界面電壓,可被應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晶體管一起使用, 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應用的領域並不廣。

3 肖特基勢壘 -器件

  肖特基二極體,肖特基勢壘自身作為器件即為肖特基二極體。
  肖特基勢壘碳納米管場效應晶體管FET:金屬和碳納米管之間的接觸並不理想所以層錯導致肖特基勢壘,所以我們可以使用這一勢壘來製作肖特基二極體或者晶體管等等。

4 肖特基勢壘 -實際使用的光電器件里可利用的電子有:

  (1)價帶電子;
  (2)自由電子或空穴(free carrier);
  (3)存在於雜質能級上的電子。
  太陽電池可利用的電子主要是價帶電子。由價帶電子得到光的能量躍遷到導帶的過程決定的光的吸收稱為本徵或固有吸收。
  太陽電池能量轉換的基礎是結的光生伏特效應。當光照射到pn結上時,產生電子一空穴對,在半導體內部結附近生成的載流子沒有被複合而到達空間電荷區,受內建電場的吸引,電子流入n區,空穴流入p區,結果使n區儲存了過剩的電子,p區有過剩的空穴。它們在pn結附近形成與勢壘方向相反的光生電場。光生電場除了部分抵消勢壘電場的作用外,還使p區帶正電,n區帶負電,在n區和p區之間的薄層就產生電動勢,這就是光生伏特效應。此時,如果將外電路短路,則外電路中就有與入射光能量成正比的光電流流過,這個電流稱作短路電流,另一方面,若將pn結兩端開路,則由於電子和空穴分別流入n區和p區,使n區的費米能級比p區的費米能級高,在這兩個費米能級之間就產生了電位差voc。可以測得這個值,並稱為開路電壓。由於此時結處於正向偏置,因此,上述短路光電流和二極體的正向電流相等,並由此可以決定voc的值。
肖特基勢壘
太陽電池的能量轉換過程
  太陽電池是將太陽能直接轉換成電能的器件。它的基本構造是由半導體的pn結組成。此外,異質結、肖特基勢壘等也可以得到較好的光電轉換效率。本節以最普通的硅pn結太陽電池為例,詳細地觀察光能轉換成電能的情況。
  首先研究使太陽電池工作時,在外部觀測到的特性。當太陽光照射到這個太陽電池上時,將有和暗電流方向相反的光電流iph流過。
  當給太陽電池連結負載r,並用太陽光照射時,則負載上的電流im和電壓vm將由圖中有光照時的電流一電壓特性曲線與v=-ir表示的直線的交點來確定。此時負載上有pout=ri2m的*gong*率消耗,它清楚地表明正在進行著光電能量的轉換。通過調整負載的大小,可以在一個最佳的工作點上得到最大輸出*gong*率。輸出*gong*率(電能)與輸入*gong*率(光能)之比稱為太陽電池的能量轉換效率。
  下面我們把目光轉到太陽電池的內部,詳細研究能量轉換過程。太陽電池由硅pn結構成,在表面及背面形成無整流特性的歐姆接觸。並假設除負載電阻r外,電路中無其它電阻成分。當具有hν(ev)(hν>eg,eg為硅的禁帶寬度)能量的光子照射在太陽電池上時,產生電子―空穴對。由於光子的能量比硅的禁帶寬度大,因此電子被激發到比導帶底還高的能級處。對於p型硅來說,少數載流子濃度np極小(一般小於105/cm),導帶的能級幾乎都是空的,因此電子又馬上落在導帶底。這時電子及空穴將總的hν - eg(ev)的多餘能量以聲子(晶格振動)的形式傳給晶格。落到導帶底的電子有的向表面或結擴散,有的在半導體內部或表面複合而消失了。但有一部分到達結的載流子,受結處的內建電場加速而流入n型硅中。在n型硅中,由於電子是多數載流子,流入的電子按介電馳豫時間的順序傳播,同時為滿足n型硅內的載流子電中性條件,與流入的電子相同數目的電子從連接n型硅的電極流出。這時,電子失去相當於空間電荷區的電位高度及導帶底和費米能級之間電位差的能量。設負載電阻上每秒每立方厘米流入n個電子,則加在負載電阻上的電壓v=qnr=ir表示。由於電路中無電源,電壓v=ir實際加在太陽電池的結上,即結處於正向偏置。一旦結處於正向偏置時,二極體電流id=i0[exp(qv/nkt)-1]朝著與光激發產生的載流子形成的光電流iph相反的方向流動,因而流入負載電阻的電流值為
  在負載電阻上,一個電子失去一個qv的能量,即等於光子能量hν轉換成電能qv。流過負載電阻的電子到達p型硅表面電極處,在p型硅中成為過剩載流子,於是和被掃出來的空穴複合,形成光電流
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