半导体器件物理 第二章总结.ppt

金-半非整流接触（欧姆接触）及二极管的特点和应用,1,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。,2,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）。,3,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。,4,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WmVD，认为扩散机制是主要形式；若VEVD,认为热电子发射机制是主要形式。,37,当VEVD，认为电子平均自由程远大于势垒密度，隧道效应起作用，或认为半导体中电子直接穿透而进入金属。尽管三个观点不一样，但得到的数学表达式基本一致。,扩,肖特基二极管中电子机制基本上是属于“热电子发射”理论。并推出I-V关系式，并称此二极管为热点流二极管。,38,2-3-2真空中金属的“热电子发射”理论1.金属真空界面的势垒用功函数qm当金属中获得能量从表面逃逸至真空称为“热电子发射”现象。2.设金属中的电子能量在E到E+dE之间，电子数为dn，能级的态密度为N(E)，状态密度N(E)借用半导体导带低的状态密度，其分布形式符合费米分布函数f(E).,39,f(E)N(E),n,这些电子可能越过势垒成为热电子,费米分布函数,40,3,热电子发射形成的电流I=q*A*Vx*N(A为MS结面积;Vx为热电子垂直金属表面上的速度分量;N为在能量dE内的电子数)*把对能量积分转为对速度的积分:利用得到对积分的结果:,41,上式在平衡时,得到:理查逊杜什曼公式其中R=120A/k2cm2理查逊常数*应用:将此类金属在真空中热电子发射用于金-半系统.,42,2-2-3M-S结的I-V方程1,确认“热电子发射”为Ms的电流主要机制。可将金属在真空中的热电子发射讨论结果用于M-S结。2,对于正偏条件下的M-S结，其电流是电子流向金属。,只不过注意式中m用s来代替。式中的m应用半导体电子的有效质量me来代替。,43,3，反偏条件下，Ims=-Io4，总的电流表达式：,I-V特性方程,I随外加电压变化呈指数上升反偏时电流很小I-V特性类似于PN结二极管I-V特性方程也满足I-V特性图,44,2-3M-S接触问题的讨论2-3-1镜像力对金属势垒高度的影响1，什么是镜像力电荷-q位于金属表面x处，从其电力线行为可看作在-x处有一电荷+q（镜像电荷）作用而产生的库仑力，称此为“镜像力”。镜像力作用F=-q=2，镜像力对电势的影响：由于上述镜像力对电势有影响，会使肖特基势垒高度降低，见右图。,真空中,称这个正电荷为镜电荷，这个力为库仑力；有力的作用就要做功；可形成这样的表达式：,镜像势能曲线,45,2-3-2肖特基势垒二极管1，SBD的基本结构2，SBD结构的问题a)发现边缘区域易击穿（与电力线分布有关，电力线集中，会导致边缘区域易击穿）；b)改进设计，分散原来周边集中的电力线；c)P+保护环结构：利用半导体PN结原理，采用P+环，改善周边效应，但工艺复杂。,浓度高低影响很大,耗尽层,电极,金属,P+,P+,46,2-3-3SBD与PN结的对比1，SBD是多子工作的器件（应用于高度开关，影响高频特性）；PN结是少子工作的器件。2，两者势垒高度相同。在相同的电流条件下，SBD的电压低得多。3，SBD工作速度比PN结快，因为PN结有存储效应。4，二者温度效应不同，PN结正向温度比SBD高0.4mv/。,47,2-3-4应用1，在集成电路中，IC对工作速度有较高的要求。双极数字IC采用SBD箱位，晶体管的VBC的电位低为0.4V，使晶体管的工作速度得到提高。称这种晶体管为肖特基势垒箱位晶体管，由其构成的电路称为STTL电路。2，高频应用例：高频滤波器射频功率对线路的作用，希望让rd吸收工作功率，而不希望让rs耗散射频功率。所以，希望rs上功耗要小，即rsrd，即f，Vd;若Wf,则Cd,Vs.,c,e,rs串联,rd,并联,48,2-4非整流的M-S结（欧姆接触）2-4-1欧姆接触的定义对M-S结能满足不产生明显的整流效应，不改变半导体内平衡载流子浓度，更不产生明显的寄生电阻，具有对称的I-V特性的接触，称为欧姆接触。,I,V,49,欧姆接触对材料的要求N型半导体2，M-S接触能带,50,MS能带在界面处不在出现，而是在半导体一侧在以下，是载流子（电子）能够自由地通过界面，即获得线性的I-V关系，满足接触的要求。,51,3，P型半导体,52,MS边界接触处，无空穴的势垒。半导体一侧出现在之上。载流子能无阻挡通过界面，满足了I-V现行要求，即满足接触。要做好接触、金属的选择在加正反偏压时，只使体内的能带上下移动，表面的结构不会改变。,53,反,正,8，外加电压时欧姆接触的界面处的能带的结构不会改变，能使半导体的体内能带整体上移或下移。图为N型半导体的欧姆接触,54,2-4-3实际的欧姆接触1，理想的欧姆接触仅是一种近似情况，即N型或P型半导体即使能够满足及要求，而界面处总存在“寄生电阻效应”2，实际的欧姆接触对半导体的掺杂浓度有一定的要求，即在高掺杂条件下，界面寄生电阻才能基本消除。,55,工艺过程,接触电阻,理论上,多数载流子有一通道,无阻挡.而实际上总有阻挡.,工艺上,用重掺杂通过,56,实际上的欧姆接触的电流机制：隧道穿透实现w很小理论上实际上起指导作用,w,S,M,隧道穿透,57,金属半导体接触及其能级图,58,金属半导体接触及其能级图金属和半导体的功函数,59,金属半导体接触及其能级图接触电