半导体器件物理学习指导：第四章 金属半导体结

1、 第四章 金属半导体结一 名词 概念 术语 问题整流接触（整流结） 欧姆接触（非整流结）肖特基势垒高度：金属半导体结从金属到半导体的势垒。肖特基效应：镜象力使势垒降低的效应。画出金属和N型半导体在形成理想接触前后的能带图并说明肖特基势垒的形成。解： 图（图4.1）为金属和 型半导体在形成接触之前的理想的能带图。其中金属功函数 大于半导体的功函数 。 为半导体的电子亲和势。图中假设了半导体表面没有表面态，其能带直到表面都是平直的。用某种方法把金属和半导体接触，由于 ，电子将从半导体渡越到金属。使半导体表面出现未被补偿的离化施主的正电荷，金属表面则积累负电荷，同时二者的费米能级拉平。电中性要求金属

2、表面的负电荷与半导体表面的正电荷必须量值相等符号相反。金属表面的负电荷是多余出来的导电电子，只占据很薄的一层（约0.5 nm ）。 由于半导体中施主浓度比金属中电子浓度低几个数量级，所以半导体中的正电荷将占据相对较厚的一个薄层，即在半导体表面形成了空间电荷层。和 结一样，空间电荷的电场将阻止半导体中电子流入金属。达到热平衡时形成稳定的自建电场和自建电势，半导体的能带向上弯曲，形成了阻止半导体中电子向金属渡越的势垒。 肖特基势垒二极管和 结二极管之间的比较：基本区别在于肖特基势垒二极管是多子器件， 结二极管是少子器件。因此：（1）由于没有少数载流子贮存，贮存时间可忽略不计，肖特基势垒二极管对于高

3、频和快速开关的应用来说是理想的；（2）由于多数载流子电流远高于少数载流子电流，肖特基势垒中的饱和电流远高于具有同样面积的 结二极管，因此，对于同样的电流，在肖特基势垒上的正向电压降要比 结上的低得多，低的接通电压使得肖特基二极管对于箝位和限辐的应用具有吸引力；（3）多子数目起伏小，因此肖特基二极管噪声小；（4）温度特性好。 画出加偏压肖特基势垒能带图，说明肖特基势垒二极管的整流特性解： 若在半导体上相对于金属加一负电压 ，则半导体金属之间的电势差减少为 ，半导体中的电子能级相对金属的向上移动 ，势垒高度则由 变成 ，而 基本上保持不变（图4-2b）。在半导体一边势垒的降低使得半导体中的电子更易

4、于移向金属，这是正向偏压条件，能够流过大的电流。如果是正电压 加于半导体上，这便是反向偏压条件（图4-2c），则势垒被提高到 ，同样 基本上保持不变。提高的势垒阻挡半导体中的电子移向金属，电流很小（图4-2c）。（图4.2）画出集成结构示意图说明肖特基势垒钳位晶体管的工作原理（图4.13）解：由于肖特基势垒具有快速开关响应，因而可以把它 和 晶体管的集电极基极结并联连接，以减小晶体管的贮存时间。当晶体管饱和时，集电结被正向偏置约达 。若在肖特基二极管上的正向压降（一般为 ）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贮存效应。因此，与单独的晶体管相比较

5、，合成器件的贮存时间得到显著的降低。肖特基势垒箝位晶体管是按示于图4-13b的结构以集成电路的形式实现的。铝在轻掺杂的 型集电区上而形成极好的肖特基势垒，并同时在重掺杂的 型基区上面形成优良的欧姆接触。为什么金属与重掺杂半导体接触可以形成欧姆接触？答：若半导体为重掺杂（例如，具有 或更高的杂质浓度时），则空间电荷层宽度变得如此之薄，以至载流子可以隧道穿透而不是越过势垒。由于在势垒每边的电子都可能隧道穿透到另一边，因此实现了在正反向偏压下基本上对称的 曲线。因此势垒是非整流的，并有一低电阻。二 重要推导导出肖特基二极管I-V特性解：对于非简并化情况，导带电子浓度和价带空穴浓度如下： 在半导体内部

6、，设本征费米能级为 ，则热平衡时半导体内部的载流子浓度为 在表面附近的空间电荷区内电子的附加电势能为 ，本征费米能级为 在空间电荷区中载流子浓度为 在半导体与金属界面处其中 是半导体的表面势。取半导体内为电势零点，则半导体表面势 = ， 为空间电荷区自建电势差。于是在 界面，电子浓度为即当有外加电压时， 由气体动力论，单位时间入射到单位面积上的电子数即进入金属的电子数为 ，式中 为热电子的平均热运动速度， 为电子有效质量。于是电子从半导体越过势垒向金属发射所形成的电流密度为与此同时也有电子从金属向半导体中发射，由于金属一侧的势垒高度 不受偏压的影响，所以这个电流密度是总电流密度为导带有效状态密

7、度为 ，代入 ，得到热电子发射理论的电流电压关系其中当肖特基势垒被施加反向偏压 时，将（4-24）式中的 换成 即可得到反向偏压下的电流电压关系。于是， 结在正反两种偏压下的电流电压关系可以统一用下式表示或式中 称为理想化因子。 证明镜像力使肖特基势垒高度降低： 其中 证明：半导体中距金属表面为 的电子受到的镜像力为 电势能为其中边界条件取为 时， 和 时， 。 （2） （1） 对于肖特基势垒，这个势能将迭加到理想肖特基势垒能带图上，将原来的肖特基势垒近似地看成是线性的，因而界面附近的导带底势能曲线为其中 为表面附近的电场，等于势垒区最大电场。总势能为设势垒高度降低的位置发生在 处，势垒高度降低值为 。令 ，由（3）式得到（3） 由于 故 （4） （5） 三 重要图表图4.1、4.2、4.3、4.4四 重要习题4-3 画出金属在P型半导体上的肖脱基势垒的能带结构图，忽略表面态，指出（a） 和（b） 两种情形是整流节还是非整流结，并确定自建电势和势垒高度。解：如下