第三章-第二部分-半導體

1、第四章第四章 金屬金屬半導體結半導體結 引言引言金屬金屬半導體形成的冶金學接觸叫做金屬半導體形成的冶金學接觸叫做金屬半導體結（半導體結（M-SM-S結）或金屬半導體接結）或金屬半導體接 觸。把須狀的金屬觸針壓在半導體晶體上或者在高真空下向半導體表面上蒸鍍大面觸。把須狀的金屬觸針壓在半導體晶體上或者在高真空下向半導體表面上蒸鍍大面積的金屬薄膜都可以實現(xiàn)金屬積的金屬薄膜都可以實現(xiàn)金屬半導體結，前者稱為點接觸，后者則相對地叫做面半導體結，前者稱為點接觸，后者則相對地叫做面接觸。金屬接觸。金屬半導體接觸出現(xiàn)兩個最重要的效應：其一是整流效應，其二是歐姆效半導體接觸出現(xiàn)兩個最重要的效應：其一是整流效應，其

2、二是歐姆效應。前者稱為整流接觸，又叫做整流結。后者稱為歐姆接觸，又叫做非整流結。應。前者稱為整流接觸，又叫做整流結。后者稱為歐姆接觸，又叫做非整流結。金屬金屬半導體結器件是應用于電子學的最古老的固態(tài)器件。半導體結器件是應用于電子學的最古老的固態(tài)器件。18741874年布朗（年布朗（BrawnBrawn）就提出了金屬與硫化鉛晶體接觸間具有不對稱的導電特性。）就提出了金屬與硫化鉛晶體接觸間具有不對稱的導電特性。19061906年皮卡德（年皮卡德（PickardPickard）獲得了硅點接觸整流器專利。）獲得了硅點接觸整流器專利。19071907年皮爾斯（年皮爾斯（PiercePierce）提出，在

3、各種半導體上濺射金屬可以制成整流二極管。）提出，在各種半導體上濺射金屬可以制成整流二極管。二十年代出現(xiàn)了鎢硫化鉛點接觸整流器二十年代出現(xiàn)了鎢硫化鉛點接觸整流器和氧化亞銅整硫器和氧化亞銅整硫器。19311931年肖特基年肖特基( (SchottkySchottky) )等人提出等人提出M-SM-S接觸處可能存在某種接觸處可能存在某種“勢壘勢壘”的想法。的想法。19321932年威爾遜（年威爾遜（WilsonWilson）等）等用用量子理論的隧道效應和勢壘的概念解釋了量子理論的隧道效應和勢壘的概念解釋了M-SM-S接觸的整接觸的整流效應。流效應。 引言引言19381938年肖特基和莫特（年肖特基和

4、莫特（MottMott）各自獨立提出電子以漂移和擴散的方式越過勢壘的觀）各自獨立提出電子以漂移和擴散的方式越過勢壘的觀點。點。同年，塔姆（同年，塔姆（TammTamm）提出表面態(tài)的概念。）提出表面態(tài)的概念。19471947年巴?。臧投。˙ardeinBardein）提出巴丁勢壘模型。）提出巴丁勢壘模型。由于點接觸二極管的重復性很差，由于點接觸二極管的重復性很差，5050年代，在大多數(shù)情況下它們已由年代，在大多數(shù)情況下它們已由PNPN結二極管所結二極管所代替。代替。到到7070年代，采用新的半導體平面工藝和真空工藝來制造具有重復性的金屬年代，采用新的半導體平面工藝和真空工藝來制造具有重復性的金

5、屬半導體半導體接觸，使金屬接觸，使金屬半導體結器件獲得迅速的發(fā)展和應用。半導體結器件獲得迅速的發(fā)展和應用。非整流結不論外加電壓的極性如何都具有低的歐姆壓降而且不呈整流效應。這種接非整流結不論外加電壓的極性如何都具有低的歐姆壓降而且不呈整流效應。這種接觸幾乎對所有半導體器件的研制和生產(chǎn)都是不可缺少的部分，因為所有半導體器件觸幾乎對所有半導體器件的研制和生產(chǎn)都是不可缺少的部分，因為所有半導體器件都需要用歐姆接觸與其它器件或電路元件相連接。都需要用歐姆接觸與其它器件或電路元件相連接。4.14.1肖特基勢壘肖特基勢壘4.1.1肖特基勢壘肖特基勢壘 一、一、肖特基勢壘的形成（考慮金屬與肖特基勢壘的形成（

6、考慮金屬與N-N-半導體）半導體） 半導體功函數(shù)半導體功函數(shù) 金屬的功函數(shù)金屬的功函數(shù) 半導體的電子親和勢。半導體的電子親和勢。 假設半導體表面沒有表面態(tài)，接觸是理想的，半導體能帶直到表面都是平直的。假設半導體表面沒有表面態(tài)，接觸是理想的，半導體能帶直到表面都是平直的。 自建電勢差自建電勢差 肖特基勢壘高度肖特基勢壘高度 或或 其中其中 mqSqSqmqS0（4-1） （4-3） dCTCnTFcnNNVnNlVqEEVln（4-4） sm0nbV0smbxqq（4-2） 4.14.1肖特基勢壘肖特基勢壘 二、加偏壓的肖特基勢壘二、加偏壓的肖特基勢壘正偏壓：在半導體上相對于金屬加一負電壓正偏壓

7、：在半導體上相對于金屬加一負電壓 。半導體半導體金屬之間的電勢差減少為金屬之間的電勢差減少為 ， 變成變成 ，反偏壓：正電壓反偏壓：正電壓 加于半導體上。加于半導體上。勢壘被提高到勢壘被提高到 （ 圖圖4-2c）。）。VV00q0()qVRV)(0RVq圖圖4-2 4-2 肖特基勢壘的能帶圖肖特基勢壘的能帶圖（a a）未加偏壓未加偏壓（b b）加有正向偏壓加有正向偏壓（c c）加有反向偏壓加有反向偏壓qVbqRqV0()qV0qbqbq4.14.1肖特基勢壘肖特基勢壘 對于均勻摻雜的半導體，類似于對于均勻摻雜的半導體，類似于 結，在空間電荷區(qū)解結，在空間電荷區(qū)解Poisson方程方程可得空間電

8、荷區(qū)寬度：可得空間電荷區(qū)寬度： NP 21002dRqNVkW（4-5） 結電容結電容： AVNqkWAkCRd210002（4-6） 或或 020221RdVANqkC（4-7） 4.14.1肖特基勢壘肖特基勢壘 與與P-NP-N結情形一樣，可以給出結情形一樣，可以給出 與與 的關系曲線以得到直線關系的關系曲線以得到直線關系（圖（圖4-3）。從中可以計算出自建電勢和半導體的摻雜濃度。）。從中可以計算出自建電勢和半導體的摻雜濃度。 21 CRV圖圖4-3 鎢鎢 硅和鎢硅和鎢 砷化鎵的二極管砷化鎵的二極管1/C2與外加電壓的對應關系與外加電壓的對應關系 1 0 1 2 3 4 0 2 4 6 8

9、 10 12 14 1/C2 （cm2/F）21015 VR（V） 4.14.1肖特基勢壘肖特基勢壘 例題：例題：從圖從圖4-34-3計計算硅肖特基二極極管的施主濃濃度、自建電勢電勢和勢壘勢壘高度。解解 利用（4-74-7）式 ，寫寫成 在圖圖4-34-3中電電容是按單單位面積積表示的，因此 。我們們求得 時時： ，因此 22020201212CVAqkCdVdAqkNRRd1AVVR121521516 102110.6 10RCVVC，時，162215212.17 10()4.6 101RVVFcmC4.14.1肖特基勢壘肖特基勢壘 由于從圖從圖4-34-3有 ，所以有 24. 0106 .

10、 2108 . 2ln026. 0ln1519dcTnNNVVV4 . 0064. 024. 04 . 00nbV4.14.1肖特基勢壘肖特基勢壘 小結小結 金屬金屬半導體接觸出現(xiàn)兩個最重要的效應：整流效應和歐姆效應。前者稱為整流接半導體接觸出現(xiàn)兩個最重要的效應：整流效應和歐姆效應。前者稱為整流接觸，又叫做整流結。后者稱為歐姆接觸，又叫做非整流結。觸，又叫做整流結。后者稱為歐姆接觸，又叫做非整流結。 金屬與金屬與N N型半導體接觸如果金屬的功函數(shù)大于半導體的功函數(shù)則將形成肖特基勢壘。型半導體接觸如果金屬的功函數(shù)大于半導體的功函數(shù)則將形成肖特基勢壘。 畫出了熱平衡情況下的肖特基勢壘能帶圖。畫出了

11、熱平衡情況下的肖特基勢壘能帶圖。 半導體空間電荷層自建電勢為半導體空間電荷層自建電勢為 肖特基勢壘高度為肖特基勢壘高度為 或或sm0（4-1） smbxqqnbV0（4-2） （4-3） dCTCnTFcnNNVnNlVqEEVln（4-4） 4.14.1肖特基勢壘肖特基勢壘 小結小結 畫出了加偏壓的的肖特基勢壘能帶圖，根據(jù)能帶圖解釋了肖特基勢壘二極管的整流畫出了加偏壓的的肖特基勢壘能帶圖，根據(jù)能帶圖解釋了肖特基勢壘二極管的整流特性。特性。 由于金屬中具有大量的電子，偏壓情況下金屬費米能級不變，因此由于金屬中具有大量的電子，偏壓情況下金屬費米能級不變，因此 不變不變 不變亦可從公式（不變亦可從

12、公式（4-34-3）看出）看出 解PoissonPoisson方程可得肖特基勢壘的空間電荷區(qū)寬度方程可得肖特基勢壘的空間電荷區(qū)寬度 式中式中 為半導體的摻雜濃度，為半導體的摻雜濃度， 為反向偏壓。為反向偏壓。 （4-5） bqbq21002dRqNVkWdNRV4.14.1肖特基勢壘肖特基勢壘 小結小結 肖特基勢壘結電容肖特基勢壘結電容或或 與與P-NP-N結情形一樣，可以由結情形一樣，可以由 與與 的關系曲線求出自建電勢和半導體的摻雜情的關系曲線求出自建電勢和半導體的摻雜情況。況。 （4-7） AVNqkWAkCRd210002020221RdVANqkC21 CRV（4-6） 4.14.1

13、肖特基勢壘肖特基勢壘 教學要求教學要求 了解金屬金屬半導體接觸出現(xiàn)兩個最重要的效應半導體接觸出現(xiàn)兩個最重要的效應 畫出熱平衡情況下的肖特基勢壘能帶圖。畫出熱平衡情況下的肖特基勢壘能帶圖。 掌握公式 sm0nbV021002dRqNVkWAVNqkWAkCRd210002（4-1） （4-5） （4-3） （4-6） 4.14.1肖特基勢壘肖特基勢壘 教學要求教學要求 掌握公式 畫出加偏壓的的肖特基勢壘能帶圖，根據(jù)能帶圖解釋肖特基勢壘二極管的整流特性畫出加偏壓的的肖特基勢壘能帶圖，根據(jù)能帶圖解釋肖特基勢壘二極管的整流特性 為什么偏壓情況下為什么偏壓情況下 不變變？ 由由 與與 的關系曲線求出自建

14、電勢和半導體的摻雜情況。的關系曲線求出自建電勢和半導體的摻雜情況。v 作業(yè)：作業(yè)：4.14.1、4.24.2、4.34.3、4.44.4、4.54.5、 （4-7） 020221RdVANqkCbq21 CRV4.24.2界面態(tài)對勢壘高度的影響界面態(tài)對勢壘高度的影響4.24.2界面態(tài)對勢壘高度的影響界面態(tài)對勢壘高度的影響 4-4 4-4 被表面態(tài)鉗制的費米能級被表面態(tài)鉗制的費米能級 4.24.2界面態(tài)對勢壘高度的影響界面態(tài)對勢壘高度的影響 由（4-24-2）式所確定的勢壘高度，往往與根據(jù)）式所確定的勢壘高度，往往與根據(jù)C CV V曲線測量所得到的曲線測量所得到的 不一致。這是因為在實際的肖特基

15、二極管中，在界面處晶格的斷裂產(chǎn)不一致。這是因為在實際的肖特基二極管中，在界面處晶格的斷裂產(chǎn)生大量能量狀態(tài)，稱為界面態(tài)或表面態(tài)，位于禁帶內(nèi)。界面態(tài)通常按能量生大量能量狀態(tài)，稱為界面態(tài)或表面態(tài)，位于禁帶內(nèi)。界面態(tài)通常按能量連續(xù)分布，并可用一中性能級連續(xù)分布，并可用一中性能級 表征。如果被占據(jù)的界面態(tài)高達表征。如果被占據(jù)的界面態(tài)高達 ，而而 以上空著，則這時的表面為電中性。也就是說，當以上空著，則這時的表面為電中性。也就是說，當 以下以下的狀態(tài)空著時，表面荷正電，類似于施主的作用；的狀態(tài)空著時，表面荷正電，類似于施主的作用；當當 以上的狀態(tài)狀態(tài)被占據(jù)時時，表面荷負電負電，類類似于受主的作用。若 與費

16、與費米能級對級對準，則凈則凈表面電電荷為為零。在實際實際的接觸觸中， 時時，界面態(tài)態(tài)的凈電凈電荷為為正，類類似于施主。這這些正電電荷和金屬屬表面的負電負電荷所形成的電場電場在金屬屬和半導導體之間間的微小間間隙 中產(chǎn)產(chǎn)生電勢電勢差，所以耗盡層內(nèi)盡層內(nèi)需要較較少的電電離施主以達達到平衡。 0E0E0E0E0EFE0Ebq4.24.2界面態(tài)對勢壘高度的影響界面態(tài)對勢壘高度的影響 結果是，自建電勢被顯著降低如圖（結果是，自建電勢被顯著降低如圖（4-44-4a a），），并且，根據(jù)式（并且，根據(jù)式（4-34-3），），勢壘高度勢壘高度 也被降低。從圖也被降低。從圖4-44-4（a a）看到，更小的看到，

17、更小的 使使 更近更近 。與。與此類似，若此類似，若 ，則在界面態(tài)中有負電荷，并使，則在界面態(tài)中有負電荷，并使 增加，還是使增加，還是使 和和 接近（圖接近（圖4-44-4b b）。）。因此，界面態(tài)的電荷具有負反饋效應，它趨向于因此，界面態(tài)的電荷具有負反饋效應，它趨向于使使 和和 接近。若界面態(tài)密度接近。若界面態(tài)密度 很大，很大， 則費米能級實際上被鉗位在則費米能級實際上被鉗位在 （稱為費米能級釘扎效應），而（稱為費米能級釘扎效應），而 變成與金屬和半導體的功函數(shù)無關。變成與金屬和半導體的功函數(shù)無關。在大多數(shù)實用的肖特基勢壘中，界面態(tài)在決定在大多數(shù)實用的肖特基勢壘中，界面態(tài)在決定 數(shù)值當中處于

18、支配地位，數(shù)值當中處于支配地位，勢壘高度基本上與兩個功函數(shù)差以及半導體中的摻雜度無關。由實驗觀測勢壘高度基本上與兩個功函數(shù)差以及半導體中的摻雜度無關。由實驗觀測到的勢壘高度列于表到的勢壘高度列于表4-14-1中。發(fā)現(xiàn)大多數(shù)半導體的能量中。發(fā)現(xiàn)大多數(shù)半導體的能量 在離開價帶邊在離開價帶邊 附近。附近。 bFE0E0EFEbFE0EFE0E0Eb0E3gEb0Ebq4.24.2界面態(tài)對勢壘高度的影響界面態(tài)對勢壘高度的影響 表表4-1 4-1 以電子伏特為單位的以電子伏特為單位的N N型半導體上的肖特基勢壘高度型半導體上的肖特基勢壘高度 4 4.3.3鏡鏡像力對勢壘對勢壘高度的影響響4 4.3.3鏡

19、鏡像力對勢壘對勢壘高度的影響響 三、三、鏡像力對勢壘高度的影響鏡像力對勢壘高度的影響 一、鏡像力降低肖特基勢壘高度（肖特基效應）：一、鏡像力降低肖特基勢壘高度（肖特基效應）： 鏡象力引起的鏡象力引起的電電子電勢電勢能為為 其中邊界條件取為其中邊界條件取為: : 時，時， 和和 時，時， 。如圖。如圖4.54.5（b b）所示。所示。 2022021624xkqxkqFxkqFdxxEx02116)(x0 xE（4-8） （4-9） 10E 4 4.3.3鏡鏡像力對勢壘對勢壘高度的影響響將原來的理想肖特基勢壘近似地看成是線性的，因而界面附近的導帶底勢能曲線寫做將原來的理想肖特基勢壘近似地看成是線

20、性的，因而界面附近的導帶底勢能曲線寫做 其中其中 為表面附近的電場，等于勢壘區(qū)為表面附近的電場，等于勢壘區(qū)最大電場（包括內(nèi)建電場和偏壓電場）?？倓菽転樽畲箅妶觯ò▋?nèi)建電場和偏壓電場）。總勢能為 xqxE)(2 xqxkqxExExE022116)(（4-10） （4-11） 如圖如圖4.54.5（c c）所示?？梢娫瓉淼睦硐胄ぬ鼗鶆輭镜碾娮幽芰吭冢┧??？梢娫瓉淼睦硐胄ぬ鼗鶆輭镜碾娮幽芰吭?處下降，也就是處下降，也就是說使肖特基勢壘高度下降。這就是肖特基勢壘的鏡像力降低現(xiàn)象，又叫做肖特基效應，說使肖特基勢壘高度下降。這就是肖特基勢壘的鏡像力降低現(xiàn)象，又叫做肖特基效應，如圖如圖4-5所示。所示

21、。 0 x 4 4.3.3鏡鏡像力對勢壘對勢壘高度的影響響 圖圖4-5 鏡像力降低金屬鏡像力降低金屬 半導體勢壘半導體勢壘 4 4.3.3鏡鏡像力對勢壘對勢壘高度的影響響二、勢壘降低的大小和發(fā)生的位置二、勢壘降低的大小和發(fā)生的位置 ：設勢壘高度降低的位置發(fā)生在設勢壘高度降低的位置發(fā)生在 處，勢壘高度降低值為處，勢壘高度降低值為 。 mxbq令令 ，由（，由（4-114-11）式得到）式得到 0dxxdE（4-12） 22020001 61 61 6mmmqqkxqkxqxk4 4.3.3鏡鏡像力對勢壘對勢壘高度的影響響由于由于 故故大電場電場下，肖特基勢壘勢壘被鏡鏡像像力降低很多。 mxEmm

22、bxqxkqq0216004216kqxxkqxmmmb（4-13） cmV510cmV1710,6,12. 0nmxevqmbnmxevqmb1,2 . 14 4.3.3鏡鏡像力對勢壘對勢壘高度的影響響 鏡鏡像像力使肖特基勢壘高度降低的前提是金屬表面附近的半導體導帶要有電力使肖特基勢壘高度降低的前提是金屬表面附近的半導體導帶要有電子存在。所以在測量勢壘高度時，如果測量方法與電子在金屬和半導體間的子存在。所以在測量勢壘高度時，如果測量方法與電子在金屬和半導體間的輸運有關，則所得結果是輸運有關，則所得結果是 ；如果測量方法只與耗盡層的空間電荷；如果測量方法只與耗盡層的空間電荷有關而不涉及電子的輸

23、運（例如電容方法），則測量結果不受鏡像力影響。有關而不涉及電子的輸運（例如電容方法），則測量結果不受鏡像力影響。bb4 4.3.3鏡鏡像力對勢壘對勢壘高度的影響響空穴也產(chǎn)生鏡像力，它的作用是使半導體能帶的價帶頂附近向上彎曲，如圖空穴也產(chǎn)生鏡像力，它的作用是使半導體能帶的價帶頂附近向上彎曲，如圖4-6所示，但它不象導帶底那樣有極值，結果使接觸處的能帶變窄。所示，但它不象導帶底那樣有極值，結果使接觸處的能帶變窄。 FME 圖 4-6鏡像力對半導體能帶的影響 4 4.3.3鏡鏡像力對勢壘對勢壘高度的影響響小結小結 肖特基效應：鏡像力使理想肖特基勢壘的電子能量在下降，也就是使肖特基勢壘高肖特基效應：鏡

24、像力使理想肖特基勢壘的電子能量在下降，也就是使肖特基勢壘高 度下降。這種效應叫做肖特基效應。度下降。這種效應叫做肖特基效應。 作為一種近似把理想肖特基勢壘半導體勢壘區(qū)電子能量看做是線性的：作為一種近似把理想肖特基勢壘半導體勢壘區(qū)電子能量看做是線性的： 根據(jù)總能量根據(jù)總能量 和圖和圖4.54.5c c解釋了肖特基效應。解釋了肖特基效應。 xqxE)(2（4-10） xqxkqxExExE022116)(（4-11） 4 4.3.3鏡鏡像力對勢壘對勢壘高度的影響響小結小結計算了肖特基勢壘的降低和總能量最大值發(fā)生的位置：計算了肖特基勢壘的降低和總能量最大值發(fā)生的位置： （4-13） （4-12） 0

25、4bqk 016mqxk 4 4.3.3鏡鏡像力對勢壘對勢壘高度的影響響教學要求教學要求 什么是肖特基效應？解釋肖特基效應的物理機制。什么是肖特基效應？解釋肖特基效應的物理機制。 根據(jù)總能量公式和圖根據(jù)總能量公式和圖4.54.5c c解釋肖特基效應。解釋肖特基效應。 計算肖特基勢壘的降低和總能量最大值發(fā)生的位置。計算肖特基勢壘的降低和總能量最大值發(fā)生的位置。v 作業(yè)：作業(yè)：4.84.8、4.94.94.4肖特基勢壘二極管的電流電肖特基勢壘二極管的電流電壓特性壓特性4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特性肖特基勢壘二極管的電流電壓特性 熱電子和熱載流子二極管：當電子來到勢壘頂上向金屬發(fā)射時，它們的能

26、量比熱電子和熱載流子二極管：當電子來到勢壘頂上向金屬發(fā)射時，它們的能量比金屬電子高出約金屬電子高出約 。進入金屬之后它們在金屬中碰撞以給出這份多余的能量之前，。進入金屬之后它們在金屬中碰撞以給出這份多余的能量之前，由于它們的等效溫度高于金屬中的電子，因而把這些電子看成是熱的。由于這個緣故，由于它們的等效溫度高于金屬中的電子，因而把這些電子看成是熱的。由于這個緣故，肖特基勢壘二極管有時被稱為熱載流子二極管。這些載流子在很短的時間內(nèi)就會和金肖特基勢壘二極管有時被稱為熱載流子二極管。這些載流子在很短的時間內(nèi)就會和金 屬電子達到平衡屬電子達到平衡，這個時間這個時間一般情況況小于一、空間電荷區(qū)中載流子濃

27、度的變化一、空間電荷區(qū)中載流子濃度的變化 對對于非簡并簡并化情況況，導帶電導帶電子濃濃度和價帶帶空穴濃濃度為為 ns1 . 0bqKTEEiKTEEiFiiFenpenn（4-14） 4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特性肖特基勢壘二極管的電流電壓特性 設設半導導體內(nèi)內(nèi)本征費費米能級為級為 ，熱熱平衡時時半導導體內(nèi)內(nèi)部的載載流子濃濃度為為表面空間電間電荷區(qū)內(nèi)區(qū)內(nèi)，本征費費米能級為級為 則則空間電間電荷區(qū)區(qū)中載載流子濃濃度為為 （4-15） 0iEKTEEiKTEEiFiiFenpenn0000)()(0 xqExEii（4-16） TVxKTxqenenxn)(0)(0)(TVxKTxqepep

28、xp)(0)(0)(（4-17） （4-18）4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特性肖特基勢壘二極管的電流電壓特性 在半導導體與與金屬屬界面處處 稱為表面勢。稱為表面勢。 取半導體內(nèi)為電勢零點，則表面勢取半導體內(nèi)為電勢零點，則表面勢 =- =-二、電流電壓特性李查德杜師曼（二、電流電壓特性李查德杜師曼（Richardson-Richardson-dushmandushman）方程方程 在在 M-S M-S 界面界面 （4-19） （4-20） TsVsenn0TsVsepp0ss0TsVsenn04.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特性肖特基勢壘二極管的電流電壓特性 （4-21） （4-22） Tb

29、TTnTVcVVVcVseNeeNenn000TbVcSeNn即即當有外加電壓當有外加電壓 時時 VTbVVcSeNn（4-23） 4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特性肖特基勢壘二極管的電流電壓特性 由氣體動力論，單位時間入射到單位面積上的電子數(shù)即進入金屬的電子數(shù)為由氣體動力論，單位時間入射到單位面積上的電子數(shù)即進入金屬的電子數(shù)為式中式中為熱電子的平均熱運動速度，為熱電子的平均熱運動速度， 為電子有效質(zhì)量。為電子有效質(zhì)量。 于是電子從半導體越過勢壘向金屬發(fā)射所形成的電流密度為于是電子從半導體越過勢壘向金屬發(fā)射所形成的電流密度為 與此同時電子從金屬向半導體中發(fā)射的電流密度為與此同時電子從金屬向半

30、導體中發(fā)射的電流密度為 （4-24） thSvn41mkTvth8mTVVthcSMevqNJb4TVthcMSevqNJb4（4-25） 4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特性肖特基勢壘二極管的電流電壓特性 總電流密度為總電流密度為 導帶有效狀態(tài)密度為導帶有效狀態(tài)密度為 ，代入，代入 、 ，得到熱電子發(fā)射理論，得到熱電子發(fā)射理論的電流的電流電壓關系電壓關系 （4-27） 14TTbCVVVthMSSMeevqNJJJ（4-26） 323*22hKTmNCCNthv1102TTTbVVVVVeJeeTRJ4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特性肖特基勢壘二極管的電流電壓特性 其中其中 稱為有效里查森

31、常數(shù)，它是在電子向真空中發(fā)射時的里查森常數(shù)中，用半導體稱為有效里查森常數(shù)，它是在電子向真空中發(fā)射時的里查森常數(shù)中，用半導體電子的有效質(zhì)量代替自由電子質(zhì)量而得到的。代入有關常數(shù)，最后得到電子的有效質(zhì)量代替自由電子質(zhì)量而得到的。代入有關常數(shù)，最后得到 的單單位為為 ，其數(shù)值數(shù)值依賴賴于有效質(zhì)質(zhì)量，對對于N N型硅和P P型硅，分別為別為110110和3232；對對于N N型和P P型 ，分別為別為8 8和7474。 （4-28） TbVeTRJ20*32*4*hqKmR（4-29） （4-30） R22cmKAGaAs2200*120*RR mmmmA cm K4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特性

32、肖特基勢壘二極管的電流電壓特性 其中其中 稱為有效里查遜常數(shù)，它是在電子向真空中發(fā)射時的里查遜常數(shù)中，用半導體稱為有效里查遜常數(shù)，它是在電子向真空中發(fā)射時的里查遜常數(shù)中，用半導體電子的有效質(zhì)量代替自由電子質(zhì)量而得到的。代入有關常數(shù)，最后得到電子的有效質(zhì)量代替自由電子質(zhì)量而得到的。代入有關常數(shù)，最后得到 的單單位為為 ，其數(shù)值數(shù)值依賴賴于有效質(zhì)質(zhì)量，對對于N N型硅和P P型硅，分別為別為110110和3232；對對于N N型和P P型 ，分別為別為8 8和7474。 （4-27） TbVeTRJ20*32*4*hqKmR（4-28） 2200*120*KcmAmmmmAR（4-30） R22c

33、mKAGaAs4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特性肖特基勢壘二極管的電流電壓特性 當當肖特基勢壘勢壘被施加反向偏壓壓 時時，將將（4-244-24）式中的 換換成 即可得到反向偏壓壓下的電電流電壓關電壓關系。于是， 結結在正反兩種兩種偏壓壓下的電電流電壓關電壓關系可以統(tǒng)統(tǒng)一用下式表示 稱為理想化因子，它是由非理想效應引起的。對于理想的肖特基勢壘二極管，稱為理想化因子，它是由非理想效應引起的。對于理想的肖特基勢壘二極管， 兩種兩種肖特基二極極管的實驗實驗 特性示于圖圖4-74-7中。 （4-31） （4-32） VRVSM 10TnVVeJJ10TnVVeIIn1nVI RV4.4肖特基勢壘二極

34、管的電流電壓特性肖特基勢壘二極管的電流電壓特性 使正向使正向 曲線延伸至曲線延伸至 ，可以求出參數(shù)，可以求出參數(shù) ，可以用它和（，可以用它和（4-284-28）式）式一起來求出勢壘高度。理想化因子可由半對數(shù)曲線的斜率計算出來。對于一起來求出勢壘高度。理想化因子可由半對數(shù)曲線的斜率計算出來。對于SiSi二極管得到二極管得到 ， 二極管二極管n=1.04n=1.04。可見（。可見（4-274-27）式較好地適）式較好地適于于 , , ,和和 等常用半導體材料作成的肖特基勢壘。等常用半導體材料作成的肖特基勢壘。 以上分析說明，肖特基勢壘電流基本上是由多子傳導的，是一種多子器件。以上分析說明，肖特基勢

35、壘電流基本上是由多子傳導的，是一種多子器件。值得指出的是，根據(jù)式（值得指出的是，根據(jù)式（4-284-28），反向電流應為常數(shù)，這與實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。），反向電流應為常數(shù)，這與實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。其原因之一是其原因之一是4.3 4.3 節(jié)中所指出的鏡像力作用。把節(jié)中所指出的鏡像力作用。把 換成換成 ，則飽和電，則飽和電流改為流改為 （4-334-33）實驗發(fā)現(xiàn)，用上述方程來描述肖特基勢壘二極管的電流電壓特性更為精確，特別實驗發(fā)現(xiàn)，用上述方程來描述肖特基勢壘二極管的電流電壓特性更為精確，特別是對反向偏壓情況的描述。是對反向偏壓情況的描述。 VI 0V0J02. 1nGaAsGeSiGaAsbbbTb

36、bVeTRJ20*4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特性肖特基勢壘二極管的電流電壓特性 圖圖4.7 和和 肖脫基二極管正向電流密度與電壓的對應關系肖脫基二極管正向電流密度與電壓的對應關系SiW GaAsW 4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特性肖特基勢壘二極管的電流電壓特性三、少數(shù)載流子電流三、少數(shù)載流子電流 空穴從金屬注入到半導體中形成電流。這個電流實際上是半導體價帶頂附近的電子流空穴從金屬注入到半導體中形成電流。這個電流實際上是半導體價帶頂附近的電子流向金屬費米能級以下的空狀態(tài)而形成的。向金屬費米能級以下的空狀態(tài)而形成的。其中其中 10TVVppeIIkTEpdVcppgeLNNNqADI0（

37、4-34） （4-35） 在象硅在象硅這樣這樣的共價的共價鍵鍵半半導導體中體中 要比要比 小的多，小的多，結結果是果是熱熱離子離子發(fā)發(fā)射射電電流通常流通常遠遠遠遠大大 于少于少數(shù)載數(shù)載流子流子電電流流 bgE4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特性肖特基勢壘二極管的電流電壓特性例：一個肖特基勢壘二極管，例：一個肖特基勢壘二極管， ，計算勢壘高度和耗盡層寬度。比較多數(shù)載，計算勢壘高度和耗盡層寬度。比較多數(shù)載流子電流和少數(shù)載流子電流，假設流子電流和少數(shù)載流子電流，假設 解：解： 由圖由圖4-74-7求得求得 。由方程（。由方程（4-284-28） 31610cmNdsp61050105 . 6J2cm

38、A = = TbV02lnJTR52105 . 6300110ln026. 0V67. 0VNNVVdCTn17. 0ln于是于是 VVnb50. 017. 067. 004.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特性肖特基勢壘二極管的電流電壓特性 時，耗盡層寬度為時，耗盡層寬度為 設設 （ ），則），則 因此因此 0RVscmDp236時31610cmNdcmDLppp3106211163210192010210106)105 . 1 (36106 . 1cmANLnqDJdpipp611500102 . 3102105 . 6PJJ50022 .61 0dkWc mq N 4.4肖特基勢壘二極管的電

39、流電壓特性肖特基勢壘二極管的電流電壓特性小結小結 概念：表面勢、概念：表面勢、熱電子、熱載流子二極管、熱電子、熱載流子二極管、里查森常數(shù)、有效里查森里查森常數(shù)、有效里查森常數(shù)常數(shù) 表面空間電荷區(qū)內(nèi)載流子濃度表達式和半導體表面載流子濃度表達式：表面空間電荷區(qū)內(nèi)載流子濃度表達式和半導體表面載流子濃度表達式：TVxKTxqenenxn)(0)(0)(TVxKTxqepepxp)(0)(0)(TsVsenn0TsVsepp0（4-17） （4-19） （4-18） （4-20） 4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特性肖特基勢壘二極管的電流電壓特性小結小結 根據(jù)氣體動力論給出了從半導體進入金屬的電子流密度

40、：根據(jù)氣體動力論給出了從半導體進入金屬的電子流密度： 式中式中 為熱電子的平均熱運動速度，為熱電子的平均熱運動速度， 為電子有效質(zhì)量。為電子有效質(zhì)量。 電流電壓特性李查德杜師曼（電流電壓特性李查德杜師曼（Richardson-dushman）方程方程 給出了少子空穴電流并與多子電流作了比較，少子空穴電流可以忽略給出了少子空穴電流并與多子電流作了比較，少子空穴電流可以忽略。（4-32） （4-31） thSvn41mkTvth8m10TnVVeJJ10TnVVeII4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特性肖特基勢壘二極管的電流電壓特性教學要求教學要求 掌握概念：表面勢、掌握概念：表面勢、熱電子、熱載

41、流子二極管、熱電子、熱載流子二極管、里查森常數(shù)、有效里查森常里查森常數(shù)、有效里查森常數(shù)數(shù) 導出表面空間電荷區(qū)內(nèi)載流子濃度表達式和半導體表面載流子濃度表達式：導出表面空間電荷區(qū)內(nèi)載流子濃度表達式和半導體表面載流子濃度表達式： （4-174-17）、（）、（4-184-18）、（）、（4-194-19）、（4-204-20） 導出電流電壓特性李查德杜師曼（導出電流電壓特性李查德杜師曼（Richardson-Richardson-dushmandushman）方程方程 （4-314-31）、（）、（4-324-32） 結合例題，比較少子空穴電流與多子電流。結合例題，比較少子空穴電流與多子電流。v 作

42、業(yè)：作業(yè)：4.54.5、4.64.6、4.74.7、4.104.10 4.5肖特基勢壘二極管的結構肖特基勢壘二極管的結構4.5肖特基勢壘二極管的結構肖特基勢壘二極管的結構 N 2SiO M （ a） 耗 盡 層 N N N 2SiO M （ b） N N 2SiO M （ c） p保 護 環(huán) 圖圖4-8 實用的肖特基二極管結構：實用的肖特基二極管結構： （a）簡單接觸，（簡單接觸，（b）采用金屬搭接，（采用金屬搭接，（C）采用保護環(huán)二極管。采用保護環(huán)二極管。 4.64.6金屬金屬絕緣體絕緣體半導體肖特基半導體肖特基二極管二極管4.64.6金屬金屬絕緣體絕緣體半導體肖特基二極半導體肖特基二極管管

43、 傳導電流是由載流子隧道穿透氧化層所形成的：傳導電流是由載流子隧道穿透氧化層所形成的： 從導帶邊緣算起的平均勢壘高度，以電子伏特為單位。從導帶邊緣算起的平均勢壘高度，以電子伏特為單位。 氧氧化層層厚度，以埃為單為單位。 的乘積積無量綱綱， 在一般情況下，若外加電壓不變，薄氧化層只減少多數(shù)載流子電流，但不降低少在一般情況下，若外加電壓不變，薄氧化層只減少多數(shù)載流子電流，但不降低少數(shù)載流子電流。這導致少數(shù)載流子電流與多數(shù)載流子電流的比率的增長。結果是增加數(shù)載流子電流。這導致少數(shù)載流子電流與多數(shù)載流子電流的比率的增長。結果是增加了少數(shù)載流子的注入比，這有利于改善諸如太陽電池和發(fā)光二極了少數(shù)載流子的注

44、入比，這有利于改善諸如太陽電池和發(fā)光二極管等器件的管等器件的性能性能。 nKTqVKTqxeeeTARIb212*（4-36） x21x4.6金屬金屬絕緣體絕緣體半導體肖特基二極管半導體肖特基二極管圖圖4-9 結構的能帶圖結構的能帶圖 MIS4.74.7肖特基勢壘二極管和肖特基勢壘二極管和P-NP-N結二結二極管之間的比較極管之間的比較4.74.7肖特基勢壘二極管和肖特基勢壘二極管和P-NP-N結二極管之間的比較結二極管之間的比較 肖特基勢壘二極管是多子器件，肖特基勢壘二極管是多子器件，P-NP-N結二極管是少子器件結二極管是少子器件。（1 1）在肖特基勢壘中，由于沒有少數(shù)載流子貯存，因此肖特

45、基勢壘二極管適于高頻和快）在肖特基勢壘中，由于沒有少數(shù)載流子貯存，因此肖特基勢壘二極管適于高頻和快速開關的應用。速開關的應用。（2 2）肖特基勢壘上的正向電壓降要比）肖特基勢壘上的正向電壓降要比P-NP-N結上的低得多。低的接通電壓使得肖特基二極結上的低得多。低的接通電壓使得肖特基二極管對于管對于鉗鉗位和限輻的應用具有吸引力。位和限輻的應用具有吸引力。（3 3）肖特基勢壘勢壘的溫溫度特性優(yōu)優(yōu)于P-NP-N結結。 （4 4）噪聲特性也噪聲特性也優(yōu)于優(yōu)于P-NP-N結結。此外，肖特基勢壘二極管制造工藝簡單。此外，肖特基勢壘二極管制造工藝簡單。 4.74.7肖特基勢壘二極管和肖特基勢壘二極管和P-N

46、P-N結二極管之間的比較結二極管之間的比較4.74.7肖特基勢壘二極管和肖特基勢壘二極管和P-NP-N結二極管之間的比較結二極管之間的比較4.74.7肖特基勢壘二極管和肖特基勢壘二極管和P-NP-N結二極管之間的比較結二極管之間的比較小結小結 肖特基勢壘二極管是多子器件，與肖特基勢壘二極管是多子器件，與P-NP-N結二極管相比具有高頻、高速，低接通結二極管相比具有高頻、高速，低接通電壓，低溫度系數(shù)和低噪聲的特點電壓，低溫度系數(shù)和低噪聲的特點 肖特基勢壘二極管制造工藝比肖特基勢壘二極管制造工藝比P-NP-N結二極管制造工藝簡單得多。結二極管制造工藝簡單得多。 4.74.7肖特基勢壘二極管和肖特基

47、勢壘二極管和P-NP-N結二極管之間的比較結二極管之間的比較教學要求教學要求 了解了解與結型與結型二極管相比二極管相比肖特基勢壘二極管的主要特點。肖特基勢壘二極管的主要特點。v 作業(yè)作業(yè)4.104.10 4.8肖特基勢壘二極管的應用肖特基勢壘二極管的應用4.8肖特基勢壘二極管的應用肖特基勢壘二極管的應用 肖特基二極管的等效電路肖特基二極管的等效電路 sr dC dr 圖 4-12 肖特基二極管的等效電路 C Cd d結電容，結電容，r rs s串聯(lián)電阻。串聯(lián)電阻。 （4-374-37）為二極管結電阻（擴散電阻）。為二極管結電阻（擴散電阻）。 dIdVrd4.8肖特基勢壘二極管的應用肖特基勢壘二極管的應用 一、一、肖特基勢壘檢勢壘檢波器或混頻頻器 由電磁學，復阻抗由電磁學，復阻抗 當當 時在時在 上的功率耗散和在結上的相等。式中上的功率耗散和在結上的相等。式中 稱稱為截止頻率。因為為截止頻率。因為 ，所以有，所以有對于高頻運用，對于高頻運用， 、 和和 都應該很小。如果半導體具有高雜質(zhì)濃度和高遷移率，是能都應該很小。如果半導體具有高雜質(zhì)濃度和高遷移率，是能夠實現(xiàn)小的夠實現(xiàn)小的 。通過采用。通過采用 材料，工作頻率接近材料，工作頻