使用 COMSOL 優化肖特基二極管設計
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摘要 : 肖特基二極管(Schottky Diode)是最古老的半導體元件之一，但它仍然存在于許多現代應用中，包括計算機和雷達系統。為了確保所設計的肖特基二極管的良好性能，對于工程師來說，在設計中準確分析電流密度和勢壘高度等因素非常重要。
肖特基二極管(Schottky Diode)是最古老的半導體元件之一，但它仍然存在于許多現代應用中，包括計算機和雷達系統。為了確保所設計的肖特基二極管的良好性能，對于工程師來說，在設計中準確分析電流密度和勢壘高度等因素非常重要。本文介紹了如何通過肖特基接觸基準模型，準確捕捉肖特基二極管中的接觸行為，仿真結果表明 COMSOL Multiphysics 軟件及其附加的半導體模塊非常適合這種類型的分析。
肖特基二極管介紹
肖特基二極管的基本原理是在 1874 年由卡爾·費迪南德·布勞恩（Karl Ferdinand Braun）證明的。通過連接金屬線和方鉛礦晶體(作為半導體)，布勞恩創造了一個點接觸二極管，可以將交流電轉換成直流電(即整流)。雖然這是半導體二極管的第一個例子，但布勞恩的工作沒有得到太多的關注，因為當時沒有任何實際應用。
無線電的發明導致了對半導體二極管（當時被稱為晶體檢波器 )的需求。1901 年，印度物理學教授賈格迪什·錢德拉·博斯(Jagadish Chandra Bose)證明了二極管可以接收無線電波。5 年后，G.W. Pickard 為他的“貓須檢波器”申請了專利，該檢波器是 1920 年代以前常用的無線電組件。這個二極管由一根薄薄的金屬線(所謂的貓須)組成，金屬線輕輕地被放在一個硅晶體上。通過調整電線的位置，可以接收信號，從而調諧收音機。
20 世紀 30 年代，物理學家沃爾特·肖特基(Walter Schottky)發現，當金屬和半導體接觸時，它們之間會形成一個屏障。他的這一發現構成了肖特基二極管的基礎(和名稱)，也稱為肖特基勢壘、熱載流子二極管和熱電子二極管。與其他類型的二極管一樣，當施加電壓時，接觸產生的勢壘允許電流在一個方向(正向偏壓)流動，而在另一個方向(反向偏壓)停止流動。
肖特基二極管的應用及優勢
與其他現代二極管相比，肖特基二極管有許多優點。例如，肖特基二極管具有高電流密度和低正向壓降，這意味著它消耗的能量和產生的熱量更少。因此，它比同類產品更加高效、小巧，并且可以用更小的散熱器制造。其他優勢包括開關速度快、恢復時間短和電容低，適用于以下應用:
給電腦和智能手機充電
雷達系統中的射頻混頻
電機驅動和發光二極管（LED）燈的整流電源
預防晶體管飽和
預防太陽能電池的電池放電
為了確保肖特基二極管在這些和其他應用中表現良好，工程師可以使用半導體仿真軟件評估電流密度和電壓等關鍵設計因素。下面，我們來看一個半導體仿真的基準示例。
肖特基二極管設計分析
肖特基接觸基準模型描述了正向偏壓下簡單肖特基二極管的行為。這個二極管的幾何形狀是晶片形的，半導體(硅)在底部，金屬(鎢)沉積在頂部。我們可以使用 COMSOL 軟件中的默認設置很容易地定義硅的屬性。
在設計中需要檢查的一個重要方面是肖特基接觸產生的勢壘高度，因為這影響二極管是否工作。確定勢壘高度可能是一項復雜的任務，因為它是基于金屬-半導體界面的結構。在這個模型中，只有理想勢壘高度（0.67 V）是基于硅的默認材料屬性和鎢的功函數(4.72 V)計算的。
可以通過使用“理想的”肖特基接觸來簡化模型。這意味著我們可以計算材料之間的電流，而無需考慮作用力降低、隧道效應、擴散效應和表面狀態等因素。這種類型的接觸主要由熱離子電流定義，而熱離子電流又取決于施加的電壓和電流密度，如下圖所示。
正像我們看到的，這個基準示例的計算結果與實驗結果吻合良好，表明我們可以使用 COMSOL Multiphysics 和半導體模塊準確捕捉肖特基二極管中的接觸行為。
