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Randbedingungen für den ohmschen Kontakt

Die Dicke der Raumladungszone ist im Halbleiter im Falle des ohmschen Kontakts so gering, daß die Ladungsträger ohne Mühe in der Lage sind, die entsprechende Energiebarriere zu durchtunneln. Die Bauelementsimulation stellt dies vor große Probleme. Ein Versuch, diese Raumladungszone zu simulieren, würde auf der einen Seite bedeuten, daß ein Bereich von etwa der Dicke tex2html_wrap_inline9178 mit ausreichender Genauigkeit diskretisiert werden muß, und andererseits, daß ein nichtlokaler Effekt, das Tunneln der Ladungsträger, zu simulieren ist. Sinnvoller ist es wieder, die Vorgänge innerhalb dieser Raumladungszone in ein lokales Grenzflächenmodell zu packen und den räumlichen Bereich durch das lokale Modell zu ersetzen. Betrachtet man nun einen exemplarischen Kontakt mit dem Quasi-Ferminiveau tex2html_wrap_inline8070 , so springt das Potential an der Halbleiter-, Kontaktgrenzfläche um den Betrag der Kontaktspannung tex2html_wrap_inline9182 und man erhält für das Potential im Halbleiter,

equation3185

Nachdem der ohmsche Kontakt der am häufigsten verwendete ist, wird das Potential um tex2html_wrap_inline9184 verschoben, sodaß dieser Term bei ohmschen Kontakten nicht mehr berücksichtigt werden muß,

  equation3198

Dabei ist tex2html_wrap_inline9186 die am Kontakt angelegte Spannung und tex2html_wrap_inline9188 ist das Potential im Halbleiter an der ohmschen Kontaktgrenzfläche. Die Kontaktrandbedingung für das Potential wird dadurch von der Lage des Quasi-Ferminiveaus im Kontakt unabhängig.

Diese Verschiebung des Potentials muß natürlich bei den Potentialrandbedingungen aller Kontakte berücksichtigt werden indem zu den entsprechenden Kontaktspannungen tex2html_wrap_inline9184 addiert wird. Wird das Vakuumniveau als Referenzenergie ( tex2html_wrap_inline9192 ) gewählt, so ist die Quasi-Fermienergie des Metalls tex2html_wrap_inline8070 gleich der negativen Austrittsarbeit tex2html_wrap_inline9196 . Üblicher Weise wird jedoch das intrinsische Ferminiveau tex2html_wrap_inline8746 des undotierten Halbleiters als Referenz definiert [29]:

equation3213

Für den Kontakt wird dann die Differenz der Austrittsarbeit des Metalls tex2html_wrap_inline9200 und er Austrittsarbeit des Halbleiters tex2html_wrap_inline9202 als Austrittsarbeit-Differenz tex2html_wrap_inline9204 ( Workfunction-Difference oder einfach Workfunction) definiert und es gilt:

eqnarray3230

woraus mit tex2html_wrap_inline9206 als Referenzenergie folgt

equation3248

Es ist jedoch zu beachten, daß die sogenannte ,,Austrittsarbeit`` des Kontakts, wie sie für die Simulation benötigt wird, einfach der negative Abstand des Quasi-Ferminiveaus des Metalls zum Referenzniveau ist. Nur dann, wenn das intrinsische Ferminiveau des Halbleiters als Referenz dient, entspricht sie der Differenz der Austrittsarbeiten vom Metall und intrinsischem Halbleiter.

   figure3252
Abbildung 5.9: Halbleiter, der links mit einem ohmschen Kontakt bestehend aus Metall 1 mit dem Quasi-Ferminiveau tex2html_wrap_inline8068 kontaktiert (Grenzfläche 1) ist und rechts mit einem Schottkykontakt (siehe nächster Abschnitt) bestehend aus Metall 2 mit dem Quasi-Ferminiveau tex2html_wrap_inline8070 versehen ist (Grenzfläche 2). Der Schottkykontakt ist an einen weiteren Kontakt mit dem selben Quasi-Ferminiveau wie der ohmsche Kontakt angeschlossen (Grenzfläche 3), um den Bezug zum Referenzniveau zu veranschaulichen. Für das Potential am linken Kontakt im Halbleiter gilt tex2html_wrap_inline9212 und für das Potential tex2html_wrap_inline9214 . Verschiebt man nun das Potential um tex2html_wrap_inline9216 erhält man

displaymath8078

displaymath9220

Nachdem die Wahl von tex2html_wrap_inline8068 beliebig ist, kann sie bezüglich der gewählten Energieskala auch mit tex2html_wrap_inline9192 angenommen werden. Es gilt dann für den Schottkykontakt tex2html_wrap_inline8086 , wobei tex2html_wrap_inline8088 die Austrittsarbeit-Differenz des Schottkykontakts bezüglich der gewählten Energieskala ist. Ist der Nullpunkt der Energieskala mit dem intrinsischen Ferminiveau des Halbleiters ident, ist tex2html_wrap_inline8088 die Austrittsarbeit-Differenz zum intrinsischen Halbleiter.

Abbildung 5.9 zeigt die Potentialverhältnisse eines Halbleiters, der mit einem ohmschen Kontakt und mit einem Schottkykontakt versehen ist.

Für die Randbedingung der Ladungsträgerkonzentrationen wird angenommen, daß sich die Konzentration des thermodynamischen Gleichgewichts einstellt. Es gilt daher

equation3289

oder mit Hilfe des Diffusionspotentials

equation3301

Für die Randbedingung der Ladungsträgertemperaturen wird ebenso wie für die Konzentrationen thermodynamisches Gleichgewicht angenommen,

equation3313

Zusammengefaßt erhält man die folgenden Kontrollgleichungen für die Randbedingungen des ohmschen Kontakts:

equation5.116-5.120


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