Temperature dependence of the Fowler–Nordheim current in metal-oxide-degenerate semiconductor structures

指数函数 半导体 简并能级 量子隧道 电流(流体) 凝聚态物理 简并半导体 场电子发射 振幅 电子 物理 绝对零度 原子物理学 氧化物 材料科学 热力学 量子力学 数学分析 数学 冶金
作者
G. Pananakakis,G. Ghibaudo,R. Kies,C. Papadas
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:78 (4): 2635-2641 被引量:123
标识
DOI:10.1063/1.360124
摘要

A comprehensive study of the temperature dependence of the Fowler–Nordheim (F–N) tunnel emission in a metal-oxide-semiconductor structure is conducted both theoretically and experimentally. The theoretical variations with temperature of the F–N emission is analyzed both for metallic and degenerate semiconductor cathode materials. The influence of the electron concentration of a degenerate semiconductor on the amplitude of the F–N current is demonstrated. A new analytical formula for the F–N current temperature dependence is derived from the exact expressions using the Sommerfeld expansion. This new analytical approximation proves to be much more efficient than the previous analytical formula developed by Good and Müller [Field Emission, Handbuch der Physik, Vol. 21 (Springer, Berlin, 1956)] and may be very useful for F–N current computer-aided-design-oriented numerical simulation. The experimental study of the F–N current in MOS capacitors clearly demonstrates the strong impact of temperature on the F–N emission above 250 °C. It is also shown that the pre-exponential and the exponential F–N coefficients can still be determined as a function of temperature. The relative variation with temperature of the experimental F–N current data can be well interpreted by the exact F–N emission formula provided that the temperature dependence of the semiconductor (metal) -oxide barrier height Φb is well accounted for by a quasilinear function of temperature. The absolute amplitude of the F–N current can also be satisfactorily predicted by the exact F–N theory while adjusting the semiconductor electron concentration.
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