半导体理器件物课件

-半导体结●肖特基势垒●界面态对势垒高度的影响●镜像力对势垒高度的影响●肖特基势垒二极管的结构●肖特基势垒二极管的电流-电压特性●金属-绝缘体-半导体肖特基势垒二极管●肖特基势垒二极管和PN结二极管之间的比较●肖特基势垒二极管的应用●欧姆接触引言金属-半导体结器件是应用于电子学的最古老的固态器件。金属—半导体形成的冶金学接触叫做金属-半导体结（M-S结）或金属-半导体接触。把须状的金属触针压在半导体晶体上或者在高真空下向半导体表面上蒸镀大面积的金属薄膜都可以实现金属-半导体结，前者称为点接触，后者则相对地叫做面接触。金属-半导体接触出现两个最重要的效应：其一是整流效应，其二是欧姆效应。前者称为整流接触，又叫做整流结。后者称为欧姆接触，又叫做非整流结。1874年布朗（Brawn）就提出了金属与硫化铅晶体接触间具有不对称的导电特性。1906年皮卡德（Pickard）获得了硅点接触整流器专利。引言1938年肖特基和莫特（Mott）各自独立提出电子以漂移和扩散的方式解释势垒的观点。19世纪20年代出现了钨-硫化铅点接触整流器和氧化亚铜整流器。同年，塔姆（Tamm）提出表面态的概念。1931年肖特基(Schottky)等人提出M-S接触处存在某种“势垒”的想法。1932年威尔逊（Wilson）等用量子理论的隧道效应和势垒的概念解释了M-S接触的整流效应。1907年皮尔斯（Pierce）提出，在各种半导体上溅射金属可以制成整流二极管。4.1肖特基势垒4.1.1肖特基势垒的形成考虑金属与N-半导体－半导体功函数－金属的功函数－电子亲和势(真空能级和导带底之差）假设半导体表面没有表面态，接触是理想的，半导体能带直到表面都是平直的。自建电势差肖特基势垒高度或其中：4.1肖特基势垒4.1.2加偏压的肖特基势垒正偏压：在半导体上相对于金属加一负电压半导体-金属之间的电势差减少为，变成反偏压：正电压加于半导体上势垒被提高到4.1肖特基势垒4.1.2加偏压的肖特基势垒根据加偏压的的肖特基势垒能带图与单边突变PN结，正偏压下半导体一边势垒的降低使得半导体中的电子更易于移向金属，能够流过大的电流。在反向偏压条件下，半导体一边势垒被提高。被提高的势垒阻挡电子由半导体向金属渡越。流过的电流很小。这说明肖特基势垒具有单向导电性即整流特性。由于金属中具有大量的电子，空间电荷区很薄，因此加偏压的的肖特基势垒能带图中

几乎不变。4.1肖特基势垒4.1.2加偏压的肖特基势垒与PN结情形一样，可以给出与的关系曲线以得到直线关系。从中可以计算出自建电势和半导体的掺杂浓度图4-3钨硅和钨砷化镓的二极管1/C2与外加电压的对应关系

4.1肖特基势垒例：从图4-3计算硅肖特基二极管施主浓度、自建电势、势垒高度。解：利用（4-1-9）式，写成4.1肖特基势垒●学习要求了解金属—半导体接触出现两个最重要的效应

画出热平衡情况下的肖特基势垒能带图掌握公式（4-1-6）（4-1-1）（4-1-3）（4-1-5）（4-1-7）画出加偏压的的肖特基势垒能带图，根据能带图解释肖特基势垒二极管的整流特性由与的关系曲线求出自建电势和半导体的掺杂情况4.2界面态对势垒高度的影响三、界面态的影响图4-4被表面态钳制的费米能级4.2界面态对势垒高度的影响三、界面态的影响结果是，自建电势被显著降低如图（4-4a），并且，根据式（4-1-3），势垒高度也被降低。从图4-4（a）看到，更小的使更接近。与此类似，若，则在界面态中有负电荷，并使增加，还是使和接近（图4-4b）。因此，界面态的电荷具有负反馈效应，它趋向于使和接近。若界面态密度很大，则费米能级实际上被钳位在（称为费米能级钉扎效应），而变成与金属和半导体的功函数无关。在大多数实用的肖特基势垒中，界面态在决定数值当中处于支配地位，势垒高度基本上与两个功函数差以及半导体中的掺杂度无关。由实验观测到的势垒高度列于表4-1中。发现大多数半导体的能量在离开价带边附近。

4.2界面态对势垒高度的影响三、界面态的影响表4-1以电子伏特为单位的N型半导体上的肖特基势垒高度4.3镜像力对势垒高度的影响一、镜像力降低肖特基势垒高度（肖特基效应）将原来的理想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（4-3-3）

其中为表面附近的电场，等于势垒区最大电场（包括内建电场和偏压电场）。总势能为可见原来的理想肖特基势垒的电子能量在处下降，也就是说使肖特基势垒高度下降。这就是肖特基势垒的镜像力降低现象，又叫做肖特基效应。4.3镜像力对势垒高度的影响二、势垒降低的大小和发生的位置

设势垒高度降低的位置发生在处，势垒高度降低值为。

令

，由（4-3-4）式得到（4-4-5）

4.3镜像力对势垒高度的影响二、势垒降低的大小和发生的位置

由于故（4-3-6）

大电场下，肖特基势垒被镜像力降低很多。4.3镜像力对势垒高度的影响三、空穴镜像力

空穴也产生镜像力，它的作用是使半导体能带的价带顶附近向上弯曲，如图4-6所示，但它不象导带底那样有极值，结果使接触处的能带变窄。4.4肖特基势垒二极管的结构

图4-8实用的肖特基二极管结构：

（a）简单接触，（b）采用金属搭接，（C）采用保护环二极管。

4.5肖特基势垒二极管的电流-电压特性热电子和热载流子二极管：当电子来到势垒顶上向金属发射时，它们的能量比金属电子高出约。进入金属之后它们在金属中碰撞以给出这份多余的能量之前，由于它们的等效温度高于金属中的电子，因而把这些电子看成是热的。由于这个缘故，肖特基势垒二极管有时被称为热载流子二极管。这些载流子在很短的时间内就会和金属电子达到平衡，这个时间一般情况小于。4.5肖特基势垒二极管的电流-电压特性一、空间电荷区中载流子浓度的变化

则空间电荷区中载流子浓度为（4-5-4）

（4-5-5）在半导体与金属界面处（4-5-6）

（4-5-7）

称为表面势。取半导体内为电势零点，则表面势4.5肖特基势垒二极管的电流-电压特性二、电流－电压特性(理查森－杜师曼（Richardson-dushman）方程)在M-S界面（4-5-9）

（4-5-10）

即当有外加电压V

时

4.5肖特基势垒二极管的电流-电压特性二、电流－电压特性(理查森－杜师曼（Richardson-dushman）方程)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（4-5-12）

为热电子的平均热运动速度，为电子有效质量。（4-5-13）

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电子从金属向半导体中发射的电流密度为4.5肖特基势垒二极管的电流-电压特性二、电流－电压特性(理查森－杜师曼（Richardson-dushman）方程)其中（4-5-15）

（4-5-16）

（4-5-17）

的单位为，其数值依赖于有效质量，对于N型硅和P型硅，分别为110和32；对于N型和P型GaAs，分别为8和74。称为有效理查森常数，它是在电子向真空中发射时的里查森常数中，用半导体电子的有效质量代替自由电子质量而得到的。代入有关常数，最后得到4.4肖特基势垒二极管的电流-电压特性二、电流－电压特性(理查森－杜师曼（Richardson-dushman）方程)当肖特基势垒被施加反向偏压时，将（4-5-14）式中的换成即可得到反向偏压下M-S的电流—电压关系。于是，金属－半导体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（4-5-18）

（4-5-19）

称为理想化因子，它是由非理想效应引起的。对于理想的肖特基势垒二极管，两种肖特基二极管的实验特性示于图4-7中。4.5肖特基势垒二极管的电流-电压特性二、电流－电压特性(理查森－杜师曼（Richardson-dushman）方程)

图4.7和肖特基二极管正向电流密度与电压的对应关系4.5肖特基势垒二极管的电流-电压特性二、电流－电压特性(理查森－杜师曼（Richardson-dushman）方程)使正向I-V曲线延伸至，可以求出参数，可以用它和（4-5-15）式一起来求出势垒高度。理想化因子可由半对数曲线的斜率计算出来。对于Si二极管得到，GaAs二极管

。可见（4-5-14）式较好地适用于Si、Ge和GaAs等常用半导体材料作成的肖特基势垒。以上分析说明，肖特基势垒电流基本上是由多子传导的，是一种多子器件。值得指出的是，根据式（4-28），反向电流应为常数，这与实验数据出现偏差。其原因之一是4.3节中所指出的镜像力作用。把换成，则饱和电流改为实验发现，用上述方程来描述肖特基势垒二极管的电流电压特性更为精确，特别是对反向偏压情况的描述。4.5肖特基势垒二极管的电流-电压特性三、少数载流子电流

空穴从金属注入到半导体中形成电流。这个电流实际上是半导体价带顶附近的电子流向金属费米能级以下的空状态而形成的。（4-5-21）

（4-5-22）

其中在象硅这样的共价键半导体中要比小的多，结果是热离子发射电流通常远远大于少数载流子电流

4.5肖特基势垒二极管的电流-电压特性例：一个肖特基势垒二极管，，计算势垒高度和耗尽层宽度。比较多数载流子电流和少数载流子电流，假设解：由图4-7求得。由方程（4-5-15）于是4.5肖特基势垒二极管的电流-电压特性例：一个肖特基势垒二极管，，计算势垒高度和耗尽层宽度。比较多数载流子电流和少数载流子电流，假设解：时，耗尽层宽度为设，则因此：

4.5肖特基势垒二极管的电流-电压特性●学习要求掌握概念：表面势、热电子、热载流子二极管、里查森常数、有效里查森常数导出表面空间电荷区内载流子浓度表达式和半导体表面载流子浓度表达式：（4-5-4）、（4-5-5）、（4-5-6）、（4-5-7）导出电流－电压特性〔李查德－杜师曼（Richardson-dushman）方程〕（4-5-18）、（4-5-19）结合例题，比较少子空穴电流与多子电流。4.6金属-绝缘体-半导体肖特基二极管一、基本结构

在实际情况中，当金属接触被蒸发到化学制备的Si表面上时，在金属和半导体之间的界面上总有一层氧化层。氧化层很薄，一般为

图4-9MIS结构的能带图

4.6金属-绝缘体-半导体肖特基二极管二、MIS肖特基二极管在热平衡时，有一个电位降跨越在氧化层上使得势垒高度被改变。在MIS肖特基二极管中，传导电流是由载流子隧道穿透氧化层所形成的：

－从导带边缘算起的平均势垒高度，以电子伏特为单位。－氧化层厚度，以埃为单位。的乘积无量纲在一般情况下，若外加电压不变，薄氧化层只减少多数载流子电流，但不降低少数载流子电流。这导致少数载流子电流与多数载流子电流的比率的增长。结果是增加了少数载流子的注入比，这有利于改善诸如太阳电池和发光二极管等器件的性能。4.7肖特基势垒二极管和P-N结二极管之间的比较肖特基势垒二极管是多子器件，P-N结二极管是少子器件。（1）在肖特基势垒中，由于没有少数载流子贮存，因此肖特基势垒二极管适于高频和快速开关的应用。（2）肖特基势垒上的正向电压降要比P-N结上的低得多。低的接通电压使得肖特基二极管对于钳位和限辐的应用具有吸引力。（3）肖特基势垒的温度特性优于P-N结。（4）噪声特性也优于P-N结。此外，肖特基势垒二极管制造工艺简单。4.7肖特基势垒二极管和P-N结二极管之间的比较4.7肖特基势垒二极管和P-N结二极管之间的比较●学习要求了解与结型二极管相比肖特基势垒二极管的主要特点。4.8肖特基势垒二极管的应用肖特基二极管的等效电路Cd－结电容，rs－串联电阻。

（4-8-1）为二极管结电阻（扩散电阻）。

4.8肖特基势垒二极管的应用一、肖特基势垒检波器或混频器由电磁学，复阻抗当时在上的功率耗散和在结上的相等。式中称为截止频率。因为

，所以有（4-8-3）

对于高频运用，、和都应该很小。如果半导体具有高杂质浓度和高迁移率，是能够实现小的。通过采用GaAs材料，工作频率接近100GHz看来是有可能的。4.8肖特基势垒二极管的应用二、肖特基势垒钳位晶体管

4.8肖特基势垒二极管的应用二、肖特基势垒钳位晶体管

当开关晶体管饱和时，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贮存效应。因此，与单独的晶体管相比较，合成器件的贮存时间得到显著的降低。测得的贮存时间可以低于1ns。肖特基势垒钳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N型集电区上能形成极好的肖特基势垒，并同时在重掺杂的P型基区上面形成优良的欧姆接触。这两种接触可以只通过一步金属化作成，无需额外的工艺。4.8肖特基势垒二极管的应用●学习要求画出肖特基势垒二极管的等效电路，说明各参数所代表的意义。画出肖特基势垒钳位