半導(dǎo)體物理與器件第九章2

1、半導(dǎo)體物理與器件半導(dǎo)體物理與器件 陳延湖陳延湖 n金屬半導(dǎo)體結(jié)的整流接觸特性，即肖特金屬半導(dǎo)體結(jié)的整流接觸特性，即肖特 基勢壘基勢壘PN結(jié)的理想電壓電流特性結(jié)的理想電壓電流特性 n金屬半導(dǎo)體結(jié)的歐姆接觸概念及特性金屬半導(dǎo)體結(jié)的歐姆接觸概念及特性 n異質(zhì)結(jié)典型能帶結(jié)構(gòu)及性能特點異質(zhì)結(jié)典型能帶結(jié)構(gòu)及性能特點 本章重點問題：本章重點問題： 第九章第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié) n當(dāng)金屬作為引線電極將器件的電流或電壓接入電當(dāng)金屬作為引線電極將器件的電流或電壓接入電 路時，金半接觸需要實現(xiàn)歐姆接觸而不是整流接路時，金半接觸需要實現(xiàn)歐姆接觸而不是整流接 觸。觸。 n良好的歐姆接觸

2、是器件制造的重點和難點，也是良好的歐姆接觸是器件制造的重點和難點，也是 器件所必備的。特別對于高頻和大功率器件。器件所必備的。特別對于高頻和大功率器件。 9.2 金屬半導(dǎo)體的歐姆接觸金屬半導(dǎo)體的歐姆接觸 n對于高頻晶體管器件其性能品質(zhì)因子為特征頻率對于高頻晶體管器件其性能品質(zhì)因子為特征頻率 fT和最高震蕩頻率和最高震蕩頻率fmax jcCE nB B jcje C CRR v X Dv X CC qI kT f sat dep 2 T 2 2 1 jcbC R f f 8 T max 良好的歐姆接觸保證較小的電極電阻良好的歐姆接觸保證較小的電極電阻Rb、Rc、Re， 從而獲得較大的從而獲得較大

3、的ft、fmax n歐姆接觸：歐姆接觸： n它不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，而且不會使半導(dǎo)體內(nèi)部的它不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，而且不會使半導(dǎo)體內(nèi)部的 平衡載流子濃度發(fā)生顯著的改變。平衡載流子濃度發(fā)生顯著的改變。 n理想歐姆接觸的接觸電阻很小，歐姆接觸上的電壓降理想歐姆接觸的接觸電阻很小，歐姆接觸上的電壓降 應(yīng)該遠(yuǎn)小于樣品和器件本身的壓降；應(yīng)該遠(yuǎn)小于樣品和器件本身的壓降； V I V I 歐姆接觸：線性歐姆接觸：線性IVIV曲線；零偏接觸電阻曲線；零偏接觸電阻 dI dV RC較小較小 n如何實現(xiàn)歐姆接觸：如何實現(xiàn)歐姆接觸： n選擇合適的金屬使半導(dǎo)體形成選擇合適的金屬使半導(dǎo)體形成反阻擋層反阻擋層，反阻擋層反

4、阻擋層沒沒 有整流作用。有整流作用。 9.2.1 理想非整流接觸勢壘理想非整流接觸勢壘 金屬與金屬與n型半導(dǎo)體接觸：當(dāng)型半導(dǎo)體接觸：當(dāng) m s時，在半導(dǎo)體表面形成反阻擋層時，在半導(dǎo)體表面形成反阻擋層 接觸前接觸前接觸后接觸后 正偏正偏 反反 偏偏 n正偏：正偏： 電子從半導(dǎo)體流向金屬電子從半導(dǎo)體流向金屬 沒有遇到勢壘，就會有很大的沒有遇到勢壘，就會有很大的 正向電流正向電流 n反偏：電子從金屬流向半導(dǎo)體反偏：電子從金屬流向半導(dǎo)體 會遇到小的勢壘，很容易穿過會遇到小的勢壘，很容易穿過 勢壘形成很大的反向電流勢壘形成很大的反向電流 n因而因而 M s時，金屬與時，金屬與 P型半導(dǎo)體也可以形成歐型半

5、導(dǎo)體也可以形成歐 姆接觸（參見圖姆接觸（參見圖9.13） n由于半導(dǎo)體表面態(tài)的存在，假定半導(dǎo)體能帶隙的上半部分由于半導(dǎo)體表面態(tài)的存在，假定半導(dǎo)體能帶隙的上半部分 存在受主表面態(tài)，那么所有受主態(tài)都位于存在受主表面態(tài)，那么所有受主態(tài)都位于EF之下，如圖之下，如圖 9.11b.這些表面態(tài)帶負(fù)電荷，將使能帶圖發(fā)生變化。這些表面態(tài)帶負(fù)電荷，將使能帶圖發(fā)生變化。 n同樣地假定半導(dǎo)體能帶隙的下半部分存在施主表面態(tài)，如同樣地假定半導(dǎo)體能帶隙的下半部分存在施主表面態(tài)，如 圖圖9.13b，所有施主態(tài)都位于，所有施主態(tài)都位于EF之上，這些表面態(tài)帶正電之上，這些表面態(tài)帶正電 荷，將使能帶圖發(fā)生變化。因此表面態(tài)的作用可

6、能使反阻荷，將使能帶圖發(fā)生變化。因此表面態(tài)的作用可能使反阻 擋層變?yōu)樽钃鯇?，因而?dǎo)致無法形成良好的歐姆接觸擋層變?yōu)樽钃鯇樱蚨鴮?dǎo)致無法形成良好的歐姆接觸 n如何實現(xiàn)歐姆接觸：如何實現(xiàn)歐姆接觸： n由于重要半導(dǎo)體材料具有高表面態(tài)，往往難以利用選由于重要半導(dǎo)體材料具有高表面態(tài)，往往難以利用選 擇金屬材料的方法實現(xiàn)歐姆接觸。在生產(chǎn)實際中常采擇金屬材料的方法實現(xiàn)歐姆接觸。在生產(chǎn)實際中常采 用用隧道效應(yīng)在半導(dǎo)體上制造歐姆接觸。隧道效應(yīng)在半導(dǎo)體上制造歐姆接觸。 9.2.2 隧道效應(yīng)隧道效應(yīng) n金屬半導(dǎo)體接觸的空間電荷層寬度與半導(dǎo)體摻雜金屬半導(dǎo)體接觸的空間電荷層寬度與半導(dǎo)體摻雜 濃度的平方根成反比，隨著摻雜

7、濃度的增加，遂濃度的平方根成反比，隨著摻雜濃度的增加，遂 穿效應(yīng)增強(qiáng)穿效應(yīng)增強(qiáng) 2 1 2 d bis n eN V x 金屬與重?fù)诫s半導(dǎo)體結(jié)的能帶圖金屬與重?fù)诫s半導(dǎo)體結(jié)的能帶圖 n用比接觸電阻用比接觸電阻Rc表征歐姆接觸的好壞：電流表征歐姆接觸的好壞：電流 密度對電壓求導(dǎo)的倒數(shù)，單位為密度對電壓求導(dǎo)的倒數(shù)，單位為.cm.cm2 2 1 0 () cV J R V 對高摻雜半導(dǎo)體，隧道電流起主要作用，對高摻雜半導(dǎo)體，隧道電流起主要作用，RC強(qiáng)烈依賴于半導(dǎo)強(qiáng)烈依賴于半導(dǎo) 體摻雜濃度體摻雜濃度 * 2 exp() sn Bn c d m R N n輔助措施：輔助措施： n金屬與半導(dǎo)體材料合金化，形

8、成穩(wěn)定的合金物金屬與半導(dǎo)體材料合金化，形成穩(wěn)定的合金物 質(zhì)：如對硅材料，形成硅化物，即質(zhì)：如對硅材料，形成硅化物，即silicide n針對難以重?fù)诫s的寬禁帶化合物，采用與窄帶針對難以重?fù)诫s的寬禁帶化合物，采用與窄帶 隙半導(dǎo)體構(gòu)成緩變異質(zhì)結(jié)來過渡、并加上高摻隙半導(dǎo)體構(gòu)成緩變異質(zhì)結(jié)來過渡、并加上高摻 雜技術(shù)，即在寬帶隙半導(dǎo)體表面上加一層高摻雜技術(shù)，即在寬帶隙半導(dǎo)體表面上加一層高摻 雜（型號相同）的窄帶隙半導(dǎo)體、構(gòu)成一個異雜（型號相同）的窄帶隙半導(dǎo)體、構(gòu)成一個異 質(zhì)結(jié)來實現(xiàn)歐姆接觸。質(zhì)結(jié)來實現(xiàn)歐姆接觸。 n器件中歐姆接觸范例：器件中歐姆接觸范例： 發(fā)射極（寬禁帶發(fā)射極（寬禁帶 AlGaAs)AlG

9、aAs)： 生長可高摻雜的窄禁生長可高摻雜的窄禁 帶帶GaAsGaAs層，實現(xiàn)歐姆層，實現(xiàn)歐姆 接觸接觸 1e19 1e16 1e18 1e19 集電極：集電極： 生長子集電生長子集電 極極GaAsGaAs層，層， 重?fù)街負(fù)?e181e18， 實現(xiàn)歐姆接實現(xiàn)歐姆接 觸觸 基極（窄禁帶基極（窄禁帶GaAs)GaAs)： GaAsGaAs層重?fù)诫s層重?fù)诫s1e191e19，實現(xiàn)，實現(xiàn) 歐姆接觸歐姆接觸 n對對HBT器件合金前后器件特性對比器件合金前后器件特性對比: 012345 -0.005 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040

10、IC VCE after annoy before annoy 通過合金，通過合金，HBTHBT器件的集電極金半接觸電阻變小，器件的集電極金半接觸電阻變小，HBTHBT器件的飽和電壓減小。器件的飽和電壓減小。 9.3 異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié) n異質(zhì)結(jié)定義：異質(zhì)結(jié)定義：由兩種不同的半導(dǎo)體材料形成的結(jié)由兩種不同的半導(dǎo)體材料形成的結(jié) 稱為異質(zhì)結(jié)稱為異質(zhì)結(jié)(heterojunction)。 n由于形成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體單晶材料的由于形成異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體單晶材料的禁帶寬度、禁帶寬度、 介電常數(shù)、折射率、吸收系數(shù)介電常數(shù)、折射率、吸收系數(shù)等物理參數(shù)不同，異質(zhì)等物理參數(shù)不同，異質(zhì) 結(jié)結(jié)(heterojuction)

11、表現(xiàn)出不同于同質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出不同于同質(zhì)結(jié) （homojunction）的性質(zhì)。）的性質(zhì)。 n異質(zhì)結(jié)器件的發(fā)展：異質(zhì)結(jié)器件的發(fā)展： n1948年肖克萊提出年肖克萊提出HBT概念和獲得專利；概念和獲得專利； n1960年制造成功第一個異質(zhì)結(jié)；年制造成功第一個異質(zhì)結(jié)； n1969年實現(xiàn)異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器；年實現(xiàn)異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器； n 1972年年IBM實現(xiàn)實現(xiàn)HBT器件器件(GaAs基）；基）； n1980實現(xiàn)實現(xiàn)HEMT器件；器件； n1987年年IBM實現(xiàn)實現(xiàn)SiGe HBT 分子束外延生長分子束外延生長 （MBE） n異質(zhì)結(jié)制作技術(shù)：異質(zhì)結(jié)制作技術(shù)：外延技術(shù)外延技術(shù)液相、氣相、分液相、氣相、分

12、子束等。子束等。 n異質(zhì)結(jié)的分類異質(zhì)結(jié)的分類 n反型異質(zhì)結(jié)反型異質(zhì)結(jié)：指：指由導(dǎo)電類型相反的兩種不同的半導(dǎo)由導(dǎo)電類型相反的兩種不同的半導(dǎo) 體材料所形成的異質(zhì)結(jié)。體材料所形成的異質(zhì)結(jié)。如如p型型Ge與與n型型GaAs所形所形 成的結(jié)，記為成的結(jié)，記為p-nGe-GaAs；若異質(zhì)結(jié)由；若異質(zhì)結(jié)由n型型Ge與與 p型型GaAs所形成，記為所形成，記為n-pGe-GaAs。 n同型異質(zhì)結(jié)同型異質(zhì)結(jié)：指：指由導(dǎo)電類型相同的兩種不同的半導(dǎo)由導(dǎo)電類型相同的兩種不同的半導(dǎo) 體材料所形成的異質(zhì)結(jié)體材料所形成的異質(zhì)結(jié)。如。如n型型Ge與與n型型GaAs形成形成 n-nGe-GaAs。 n異質(zhì)結(jié)也可以分為異質(zhì)結(jié)也可

13、以分為突變型突變型異質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)和緩變型緩變型異質(zhì)結(jié)兩異質(zhì)結(jié)兩 種種 n一般把禁帶寬度較小的半導(dǎo)體材料寫在前面。或者一般把禁帶寬度較小的半導(dǎo)體材料寫在前面。或者 用大寫字母表示較寬帶用大寫字母表示較寬帶 9.3.2 異質(zhì)結(jié)能帶圖異質(zhì)結(jié)能帶圖 n在研究異質(zhì)結(jié)特性時，異質(zhì)結(jié)的能帶圖起著重在研究異質(zhì)結(jié)特性時，異質(zhì)結(jié)的能帶圖起著重 要作用，異質(zhì)結(jié)的能帶圖取決于形成異質(zhì)結(jié)的要作用，異質(zhì)結(jié)的能帶圖取決于形成異質(zhì)結(jié)的 兩種半導(dǎo)體的兩種半導(dǎo)體的電子親和勢、禁帶寬度、及功函電子親和勢、禁帶寬度、及功函 數(shù)、數(shù)、界面態(tài)等界面態(tài)等 真空能級真空能級 n窄禁帶材料窄禁帶材料p型型Ge和寬禁帶材料和寬禁帶材料N型型Ga

14、As成結(jié)成結(jié) 前的能帶圖前的能帶圖 不考慮界面態(tài)時的不考慮界面態(tài)時的突變反型異質(zhì)結(jié)能帶圖突變反型異質(zhì)結(jié)能帶圖 n形成突變形成突變nP異質(zhì)結(jié)后的熱平衡能帶圖異質(zhì)結(jié)后的熱平衡能帶圖 VbiVbi為接觸電勢差或內(nèi)建電勢差為接觸電勢差或內(nèi)建電勢差 bibinbipFnFp spsn bibinbip eVeVeVEE ee VVV VbinVbin和和VbipVbip分別為交界面兩側(cè)半導(dǎo)分別為交界面兩側(cè)半導(dǎo) 體的內(nèi)建電勢差。體的內(nèi)建電勢差。 n突變突變pN異質(zhì)結(jié)后的熱平衡能帶圖特點異質(zhì)結(jié)后的熱平衡能帶圖特點1 n能帶在交界面處不連續(xù)，有一個能帶在交界面處不連續(xù)，有一個 突變突變。 EC和和 EV的出現(xiàn)

15、將阻礙的出現(xiàn)將阻礙 載流子通過界面，這種對載流子載流子通過界面，這種對載流子 的限制作用是同質(zhì)結(jié)中所沒有的的限制作用是同質(zhì)結(jié)中所沒有的 導(dǎo)帶底處導(dǎo)帶底處: 價帶頂處價帶頂處: () Cnp Ee )() VCgpgn Vgpgnnp EEEE EEEe （ n突變突變pN異質(zhì)結(jié)后的熱平衡能帶圖特點異質(zhì)結(jié)后的熱平衡能帶圖特點2 n能帶在交界面處出能帶在交界面處出 現(xiàn)現(xiàn)”尖峰尖峰”和和”凹凹 口口”。因而。因而可能會可能會 出現(xiàn)電子或空穴的出現(xiàn)電子或空穴的 堆積堆積。 9.3.3 二維電子氣二維電子氣 n以同型異質(zhì)結(jié)以同型異質(zhì)結(jié)n/N GaAs-AlGaAs為例，其能帶圖如下為例，其能帶圖如下 勢

16、阱（凹口）中積累了電子勢阱（凹口）中積累了電子 n基于量子力學(xué)，勢阱中的電子能量是量子化的基于量子力學(xué)，勢阱中的電子能量是量子化的 n因此，電子在與界面垂直的方向上有量子化的能級，同時因此，電子在與界面垂直的方向上有量子化的能級，同時 可以向空間其他兩個方向自由移動，這種電子稱可以向空間其他兩個方向自由移動，這種電子稱二維電子二維電子 氣氣 n二維電子氣可位于低摻二維電子氣可位于低摻 雜或不摻雜的區(qū)域，因雜或不摻雜的區(qū)域，因 而其中而其中電子的遷移率遠(yuǎn)電子的遷移率遠(yuǎn) 高于存在電離摻雜雜質(zhì)高于存在電離摻雜雜質(zhì) 的區(qū)域的電子的遷移率的區(qū)域的電子的遷移率 n如果異質(zhì)結(jié)變?yōu)榫徸兘Y(jié)，如果異質(zhì)結(jié)變?yōu)榫徸兘Y(jié)

17、， 則二維電子氣的遷移率則二維電子氣的遷移率 還可以進(jìn)一步提高還可以進(jìn)一步提高 二維電子氣的優(yōu)點：二維電子氣的優(yōu)點： 00 0 0 () () ()()()() lnln ln() ln() bispsn bipgpFpvpngnFnvn bipngpgnFnvnFpvp vp vn biCg np p vn biv novp cp no bic pcn V eVeEEEeEEE eVeEEEEEE N N eVEEkTkT pp p N eVEkT pN N n eVEkT nN 9.3.4靜電平衡態(tài)靜電平衡態(tài) n半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)由于特殊的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)由于特殊的能帶結(jié)構(gòu)(能帶不連續(xù)，能帶

18、不連續(xù)， 存在勢壘尖峰和勢阱存在勢壘尖峰和勢阱)及及晶格不匹配而引入界面態(tài)晶格不匹配而引入界面態(tài) 等因素等因素，異質(zhì)結(jié)的電流電壓關(guān)系較同質(zhì)結(jié)復(fù)雜的，異質(zhì)結(jié)的電流電壓關(guān)系較同質(zhì)結(jié)復(fù)雜的 多。存在多個電流電壓模型：多。存在多個電流電壓模型： n擴(kuò)散模型擴(kuò)散模型 n發(fā)射模型發(fā)射模型 n發(fā)射復(fù)合模型發(fā)射復(fù)合模型 n隧道模型隧道模型 n隧道復(fù)合模型等隧道復(fù)合模型等 9.3.5 IV特性特性 同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)電流電壓成分對比：同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)電流電壓成分對比： n（1）同質(zhì)結(jié)中電子勢壘與空穴勢壘相同同質(zhì)結(jié)中電子勢壘與空穴勢壘相同，電，電 子電流與空穴電流的相對數(shù)量級由相對雜質(zhì)濃子電流與空穴電流的相對數(shù)量級由相對雜質(zhì)濃 度決定。度決定。 n（2）但在異質(zhì)結(jié)中，電子勢壘與空穴勢壘有但在異質(zhì)結(jié)中，電子勢壘與空穴勢壘有 可能不同可能不同，較小的勢壘高度導(dǎo)致較大的載流子，較小的勢壘高度導(dǎo)致較大的載流子 電流，實際電流可由勢壘高