肖特基二极管(Schottky Diode)是最古老的半导体元件之一，但它仍然存在于许多现代应用中，包括计算机和雷达系统。为了确保所设计的肖特基二极管的良好性能，对于工程师来说，在设计中准确分析电流密度和势垒高度等因素非常重要。本文介绍了如何通过肖特基接触基准模型，准确捕捉肖特基二极管中的接触行为，仿真结果表明 COMSOL Multiphysics 软件及其附加的半导体模块非常适合这种类型的分析。
肖特基二极管介绍
肖特基二极管的基本原理是在 1874 年由卡尔·费迪南德·布劳恩（Karl Ferdinand Braun）证明的。通过连接金属线和方铅矿晶体(作为半导体)，布劳恩创造了一个点接触二极管，可以将交流电转换成直流电(即整流)。虽然这是半导体二极管的第一个例子，但布劳恩的工作没有得到太多的关注，因为当时没有任何实际应用。
无线电的发明导致了对半导体二极管（当时被称为晶体检波器)的需求。 1901 年，印度物理学教授贾格迪什·钱德拉·博斯(Jagadish Chandra Bose)证明了二极管可以接收无线电波。5 年后，G.W. Pickard 为他的“猫须检波器”申请了专利，该检波器是1920年代以前常用的无线电组件。这个二极管由一根薄薄的金属线(所谓的猫须)组成，金属线轻轻地被放在一个硅晶体上。通过调整电线的位置，可以接收信号，从而调谐收音机。
曾用于晶体无线电接收器的猫须检波器。图片由 JA.Davidson 提供，通过Wikimedia Commons共享。
20 世纪 30 年代，物理学家沃尔特·肖特基(Walter Schottky)发现，当金属和半导体接触时，它们之间会形成一个屏障。他的这一发现构成了肖特基二极管的基础(和名称)，也称为肖特基势垒、热载流子二极管和热电子二极管。与其他类型的二极管一样，当施加电压时，接触产生的势垒允许电流在一个方向(正向偏压)流动，而在另一个方向(反向偏压)停止流动。
肖特基二极管的应用及优势
与其他现代二极管相比，肖特基二极管有许多优点。例如，肖特基二极管具有高电流密度和低正向压降，这意味着它消耗的能量和产生的热量更少。因此，它比同类产品更加高效、小巧，并且可以用更小的散热器制造。其他优势包括开关速度快、恢复时间短和电容低，适用于以下应用:
为了确保肖特基二极管在这些和其他应用中表现良好，工程师可以使用半导体仿真软件评估电流密度和电压等关键设计因素。下面，我们来看一个半导体仿真的基准示例。
肖特基二极管设计分析
肖特基接触基准模型描述了正向偏压下简单肖特基二极管的行为。这个二极管的几何形状是晶片形的，半导体(硅)在底部，金属(钨)沉积在顶部。我们可以使用 COMSOL 软件中的默认设置很容易地定义硅的属性。
简单肖特基二极管的几何形状。
在设计中需要检查的一个重要方面是肖特基接触产生的势垒高度，因为这影响二极管是否工作。确定势垒高度可能是一项复杂的任务，因为它是基于金属-半导体界面的结构。在这个模型中，只有理想势垒高度（0.67 V）是基于硅的默认材料属性和钨的功函数(4.72 V)计算的。
可以通过使用“理想的”肖特基接触来简化模型。这意味着我们可以计算材料之间的电流，而无需考虑作用力降低、隧道效应、扩散效应和表面状态等因素。这种类型的接触主要由热离子电流定义，而热离子电流又取决于施加的电压和电流密度，如下图所示。
肖特基二极管在正向偏压下电流密度的模拟值(实线)和实验值(圆圈)的比较。
正像我们看到的，这个基准示例的计算结果与实验结果吻合良好，表明我们可以使用 COMSOL Multiphysics 和半导体模块准确捕捉肖特基二极管中的接触行为。
后续步骤
尝试自己动手模拟这个例子，开始为肖特基二极管建模。单击下面的按钮进入COMSOL 案例库，您可以在其中找到详细的步骤说明，也可以下载该模型的MPH文件。
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