薄膜導電電流機制

薄膜導電電流可以分為電極接面限制電流(Interface Type Limited)與本體限 制電流(Bulk Limited)兩大類，前者如蕭特基發射(Schottky Emission)、穿隧傳導 (Tunneling)；後者如法蘭克-普爾發射(Frenkel-Poole Emission)、歐姆傳導(Ohmic Conduction)、空間電荷限制電流傳導(Space-Charge-Limited-Current Conduction)、

跳躍傳導(Hopping)。

1.3.1 Ohmic Conduction

如果材料與電極的接觸是歐姆接觸(Ohmic Contact)，或是材料在電極接面的 能帶彎曲夠陡峭，使得在接面的載子可以穿隧，電流傳導不受到金屬和半導體接 面限制則為 Ohmic Conduction，常見於高電阻態的傳導機制，可以用數學式表示 如下：



 

 kT

qN E

J_{ohmic c}exp ^ac

電流密度和電場關係J vs

，電流密度和溫度關係 J T1 vs

ln 作圖呈現線性關係。

圖 1-14、電阻式記憶體由上下電極及中間電阻轉換層形成三明治結構[62]。

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1.3.2 Space-Charge-Limited-Current(SCLC)

SCLC 顧名思義為載子填滿缺陷造成電荷累積而限制電流流動，此傳導機制 也是 Bulk Limited，因為不是受到金屬和半導體接面限制影響，所以 SCLC 傳導 機制的前提就是接面必須是 Ohmic contact，且易發生在較低的載子注入能障 (Lower Injection Barrier Height)與載子遷移率低(Low Carrier Mobility)情形。當施 加電壓在一開始較小時，載子由電極注入半導體，一開始注入載子尚低於材料內 部熱激發所產生的載子量，也就是注入的載子密度(Injected Carrier Density)小於 因熱產生的載子密度(Thermally Generated Carrier Density)，這些載子在濃度不高 的一開始，也就是 SCLC 的初始，電流透過熱電子躍遷從一個狀態跳往下一個狀

1.3.3 Schottky Emission

在熱帄衡下，金屬會因為功函數的不同，和半導體能帶匹配後形成蕭特基接 面(Schottky Contact)或是歐姆接面(Ohmic Contact)，圖 1-15，以 n-type 半導體為 例，當金屬功函數大於半導體功函數時，金半界面會形成 Schottky Contact，並 且當載子要通過界面時，會被能障高度限制住，此能障高度就稱之為 Schottky Barrier，此能障和電極功函數及與介電材料電子親和力有關，而 Schottky Emission 亦被稱為 Thermionic Emission，因為載子必須透過外加電場而獲得熱能被激發，

此熱能可以幫助載子越過 Barrier，產生導通電流，也因為受到熱能的影響很大，

所以電流對於溫度的變化很敏感，並且因為載子主要是受到金屬和半導體接面的 能障高度限制，所以在分類上是屬於 Interface Type Limited，用數學來呈現電流 傳導的機制可以用下面的式子來表示：

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1.3.4 Frenkel-Poole Emission

雖然此傳導機制和 Schottky Emission 一樣是因為載子受到熱激發而產生電 流，但 F-P emission 機制下的載子在通過金屬和半導體界面時並不是受到金半接 面能障高度的限制，而是在介電質層本身中因為密度較高的缺陷使得在價帶與導 帶邊緣形成多於的能階，熱游離或是其他方式進入介電層的載子被捕捉的深度造 成的能障限制，這些位在缺陷態(Trap Sites)具有庫倫位能的電子，受到外加電場 的熱激發，脫離了陷阱(Trapp Center)而到達導電帶，因此產生導通電流，此種機 圖 1-15、金半接面因為功函數匹配不同會形成 Schottky 或是 Ohmic 接面。

制可將電流密度用數學式子來表示為：

F-P emission 傳導電流和 Schottky Emission 傳導電流同樣受到溫度影響大，

但不同於 Schottky Emission 是受到 Interface Type Limited，F-P Emission 是 Bulk Type Limited。

1.3.5 Hopping

受到溫度影響明顯的傳導機制還有 Hopping，不同於 Schottky Emission 和 F-P Emission 載子需要越過一個能障而進入導電帶，Hopping 是載子靠著介電質 內部，因為缺陷或是存在一些能量較低的能態位置，而載子比較容易待在那些

和 F-P Emission 比較起來，當介電質層缺陷密度(Defect density)較高時，因 為載子有比較多機會可以在那些缺陷位置移動，所以較易發生 Hopping，而相 對的，缺陷密度較低時，發生 F-P 的機率就提高。

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1.3.6 Tunneling

在尺度微縮到很小下，當粒子質量甚小，就有機會在本身能量小於所遇能 (Direct tunneling)的情形，數學表示如：

 