金半非整流接触.ppt

金-半非整流接触（欧姆接触）及二极管的特点和应用,金属-半导体接触,在制造半导体器件的过程中,除了有PN结之外,还会遇到金属和半导体相接触的情况,这种接触(指其间距离只有几个埃)。有时会在半导体表面形成载流子的积累层,从而表现出低阻特性,其伏安特性是线性的；有时会在半导体表面形成载流子的耗尽层(阻挡层),出现表面势垒,其伏安特性与PN结相似,呈非线性状态。,这是由于金属的功函数（Wm）、费米能级（(EF)m）和半导体的功函数（Ws）、费米能级（(EF)s）不同，当金属和半导体接触时会形成表面势垒造成的。而具体是那种情况跟Wm和Ws的大小以及半导体是n型或p型有关。 上述两种情况在实际应用中都有用到之处,前者可用来作欧姆接触（非整流接触），后者可用来制作肖特基势垒二极管（整流接触）。,欧姆接触,半导体器件和用来测试半导体参数的样品，要求用欧姆接触来连接，欧姆接触是一类重要的金属-半导体接触。欧姆接触是一种不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著变化的接触。从电学上讲，理想欧姆接触的接触电阻与半导体样品或器件相比应当很小，当有电流流过时，欧姆接触上的电压降应当远小于样品或器件本身的压降，这种接触不影响器件的电流-电压特性，或者说，电流-电压特性是由样品的电阻或器件的特性决定的。,如何实现欧姆接触,不考率表面态的影响。以N型半导体为例，若WmWs，这种费米能级的差别意味着在金属内部和半导体导带相对应的那部分能级上，电子的密度大于半导体导带的电子密度，于是当两者接触时，电子便从金属向半导体扩散,结果使金属表面带正电，N型半导体表面附近形成电子的积累层，从而表现出高导电的特性，也即低阻值、无整流的特性，其积累层的能带如图1所示。,图1 积累层的能带图,同样的分析方法可知,当金属和P型半导体接触时,若P型半导体的逸出功小于金属的逸出功，便在P型半导体表面附近形成空穴的积累层，从而也表现出高导电、无整流的特性。这样看来，选用适当的金属材料，就有可能得到欧姆接触。 值得注意的是，在上面的分析中,我们都基于一种简化的理想状态，即将金属和半导体相接触所出现的四种情况只决定于逸出功，实际上，表面势垒的形成还和半导体表面能态的性质及密度有关。,像Ge、Si、GaAs这些最常用的半导体材料，一般都有很高的表面态密度，无论是N型材料或P型材料与金属接触都形成势垒，而与金属功函数关系不大。 因此，不能用选择金属材料的办法来获得欧姆接触。目前，在生产实际中，主要是利用隧道效应的原理在半导体上制造欧姆接触。,因为重掺杂的P-N结可以产生显著的隧道电流。金属和半导体接触时，如果半导体掺杂浓度很高，则势垒区宽度变得很薄，电子也要通过隧道效应贯穿势垒产生相当大的隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分。当隧道电流占主导地位时，它的接触电阻可以很小，可以用作欧姆接触。因此，半导体重掺杂时，它与金属的接触可以形成接近理想的欧姆接触。,接触电阻定义为零偏压下的微分电阻，即,（1）,运用量子力学的运算，最后得到,（2）,由式（2）看到，掺杂浓度越高，接触电阻Rc越小。因而，半导体材料重掺杂时，可得到欧姆接触。,制作欧姆接触最常用的方法是用重掺杂的半导体与金属接触，常常是在N型或P型半导体上制作一层重掺杂区后再与金属接触，形成金属-N+-N或金属-P+-P结构。由于有N+、P+层，金属的选择就比较自由。形成金属与半导体接触的方法也有多种，例如蒸发、溅射、电镀等等。,肖特基二极管,利用金属-半导体整流接触特性制成的二极管称为肖特基势垒二极管，它和P-N结二极管具有类似的电流-电压关系，即它们都有单向导电性。,肖特基二极管的结构,图2为三种常用的肖特基势垒中的一种，在n+Si衬底上的n型外延膜经过清洁处理及热氧化，随后，用标准的光刻技术开出窗口，并通过在真空系统中进行蒸发或溅射以沉淀金属。金属图形由另一步光刻确定。不幸的是，由于陡峭的边沿以及在Si-SiO2界面存在正的固定电荷Qss，使得这种简单的结构不能提供理想的肖特基势垒特性。,这些条件在靠近周边的半岛体耗尽区建立一高电场，导致在拐角处有过量电流。这种拐角效应除了产生软的反向特性和低击穿电压之外还造成低劣的噪音特性。,图2 实用的肖特基二极管结构：简单接触,使金属搭接在氧化层上可以消除周边效应，如图3所示。这时在金属-氧化物-半导体（MOS）电容下边的耗尽区得到修整，引起软击穿的陡沿被消除。搭接区应当很小；不然附加的电容会降低二极管的高频特性。,图3 实用的肖特基二极管结构：采用金属搭接,为了得到理想的I-V特性，在图4所示的保护环结构中采用了一种附加的p+扩散环来降低边缘效应。由于搭接金属结构比较简单，通常在集成电路中采用它更为合适。,图4 实用的肖特基二极管结构：采用保护环二极管,肖特基二极管的特点,肖特基势垒二极管和P-N结二极管具有类似的电流-电压关系，即它们都有单向导电性；但前者又有区别于后者的以下显著特点。 首先，就载流子的运动形式而言，P-N结正向导通时，由P区注入N区的空穴或由N区注入P区的电子，都是少数载流子，它们先形成一定的积累，然后靠扩散运动形成电流。,这种注入的非平衡载流子的积累成为电荷存贮效应，它严重地影响了P-N结的高频性能。而肖特基二极管的正向电流，主要是由半导体中的多数载流子进入金属形成的。它是多数载流子器件。例如对于金属和N型半导体的接触，正向导通时，从半导体中越过界面进入金属的电子并不发生积累，而是直接成为漂移电流而流走。因此，肖特基二极管比P-N结二极管有更好的高频特性。,其次，对于相同的势垒高度，肖特基二极管的JsD或JsT要比P-N结的反向饱和电流Js大得多。换言之，对于同样的使用电流，肖特基二极管将有较低的正向导通电压，一般为0.3V左右。,肖特基二极管的应用,因为有以上的特点，肖特基二极管在高速集成电路，微波技术等许多领域都有很多重要应用。 例如，由于肖特基势垒具有快速开关响应，因而可以把它和N-P-N晶体管的集电极-基极结并联连接，如图5 a所示，以减小晶体管的存贮时间。,图5 肖特基箝位晶体管：（a）电路图 （b）集成结构,当晶体管饱和时，集电结被正向偏置约达0.5V。若在肖特基二极管上的正向压降（一般为0.3V）低于晶体管基极-集电极的开态电压，则大部分过量基极电流流过二极管，该二极管没有少数载流子存贮效应。因此，与单独的晶体管向比较，和成器件的存贮时间得到显著的降低。肖特基势垒箝位晶体管是按图5 b所示的结构以集成电路的