碳纳米管金属结点二极管的肖特基效应

对于金属与CNT间界面处形成的接触，其特性为电学电阻式接触或活跃结点（肖特基二极管）。CNT与金属会形成几种不同类型的接触：在CNT边接触中，CNT通过弱范德华力定位在金属接触上；而末端键合CNT则通过共价键或金属键与金属表面连接，从而减少了维度。它们对有源器件的形成有强烈的影响。费米能级钉扎效应在这些器件的形成中扮演重要角色。图16.9所示为两种不同键合机制下两种不同类型的CNT和金属接触。

图16.9 两种类型的金属CNT接触^[34]

a）靠弱范德华力结合的CNT边接触 b）靠共价键或金属键键合的CNT末端

16.5.1.1 费米能级钉扎效应

费米能级钉扎效应在平界面产生的势垒高度与金属的功函无关，其定义如下：

ϕ_b＝E_c-E_F （16.2）

式中，E_c和E_F分别为能量传导带和费米能级。

另外，能级带图表表明，能够忽略因界面^[34]附近的掺杂导致的频带偏移特征。

现在，考虑金属和半导体间的平界面，势垒高度取决于金属功函，它定义如下：

ϕ_b0＝X_m-X_s （16.3）

式中，X_m和X_s分别为金属功函和半导体电离潜势。

然而，位于半导体能带间隙的内部的金属-半导体界面存在有限态密度。这些能带间隙有一个称为“金属引诱间隙态”（MIGS）的复波函数。由于半导体与金属分界面处的边界条件，该波向半导体内部呈指数衰减。MIGS在界面处引发的诱导电荷会在界面处创造了一个偶极环或团。这个电荷改变了费米能级的位置，因此会提高或者降低势垒的高度。在势垒处靠近半导体表面的电荷会消失。且MIGS控制了该设备的导通电压和频带偏移。因此，金属与半导体界面处的势垒高度与金属功函无关，取决于半导体能级间隙内的费米钉扎级。

16.5.1.2 带平界面的碳纳米管器件(www.xing528.com)

对于带平界面的CNT，其诱导电荷由双极子建模，定义如下：

σ（z）＝D₀（E_N-E_F）e^-qz （16.4）

式中，D₀为MIGS的密度；E_N为中性能级，它取决于变化的原子结构的能级，而原子结构的能级会因静电势而随z变化；E_F为金属费米能级；z为诱导电荷离金属-CNT界面的距离。由于金属内的电荷和界面处的MIGS，金属能级间隙内的状态不相同，而q代表了它们的指数式衰减平均值。Lenard和Tersoff^[34]在他们的工作中说明了这一点。

当势垒高度增长至

ϕ_b＝ϕ⁰_b＋E_F-E_N （16.5）

图16.10 CNT平界面器件原理图（弱范德华力会在CNT和金属间形成肖特基势垒）^[35]

在平面肖特基势的原理图^[34]中，电中性能级位于半导体能级间隙的中心，金属费米能级位于能级间隙之间。图16.10所示为CNT平界面器件原理图。

16.5.1.3 带圆端接口的碳纳米管器件

CNT和金属的圆端接触，与半导体的末端接触金属而形成的传统平面接触类似。研究这种接触的费米钉扎效应时，必须考虑到MIGS是偶极环的而不是片状的，因此它具有静电势和频带偏移引起的总效应。静电势以电荷到偶极环^[35]距离的三次方衰减。不到几纳米，以指数迅速衰减的静电势就消失了。因为电子穿过仅几纳米的势垒，所以费米钉扎效应对端键合型CNT-金属接触的影响较小。总之，可得出结论：这类接触产生了不同的功函，而这些功函在器件形成中扮演了很重要的角色。人们已经展示了CNT和金属钛、硅之间圆端结合肖特基结点的制备过程^[36]。

16.5.1.4 肖特基与欧姆接触比较

肖特基势垒的存在为依据电流来测定温度提供了方法，因为其电流随温度的上升而增加。这与欧姆接触中电流随温度的变化相反，即其电流随温度的升高而减小。