半導(dǎo)體器件物理 課件 第四章

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

2、二是歐姆效應(yīng)。前者稱為整流接觸，又叫做整流結(jié)。后者稱為歐姆接觸，又叫做非整流結(jié)。應(yīng)。前者稱為整流接觸，又叫做整流結(jié)。后者稱為歐姆接觸，又叫做非整流結(jié)。n金屬金屬半導(dǎo)體結(jié)器件是應(yīng)用于電子學(xué)的最古老的固態(tài)器件。半導(dǎo)體結(jié)器件是應(yīng)用于電子學(xué)的最古老的固態(tài)器件。n18741874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(duì)稱的導(dǎo)電特性。）就提出了金屬與硫化鉛晶體接觸間具有不對(duì)稱的導(dǎo)電特性。n19061906年皮卡德（年皮卡德（PickardPickard）獲得了硅點(diǎn)接觸整流器專利。）獲得了硅點(diǎn)接觸整流器專利。n19071907年皮爾斯（年皮爾斯（PiercePierce）

3、提出，在各種半導(dǎo)體上濺射金屬可以制成整流二極管。）提出，在各種半導(dǎo)體上濺射金屬可以制成整流二極管。n二十年代出現(xiàn)了鎢硫化鉛點(diǎn)接觸整流器和氧化亞銅整硫器。二十年代出現(xiàn)了鎢硫化鉛點(diǎn)接觸整流器和氧化亞銅整硫器。n19311931年肖特基年肖特基(Schottky)(Schottky)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。n19321932年威爾遜（年威爾遜（WilsonWilson）等用量子理論的隧道效應(yīng)和勢壘的概念解釋了）等用量子理論的隧道效應(yīng)和勢壘的概念解釋了M-SM-S接觸的整接觸的整流效應(yīng)。流效應(yīng)。 引言引言n19381938年肖特基和莫

4、特（年肖特基和莫特（MottMott）各自獨(dú)立提出電子以漂移和擴(kuò)散的方式越過勢壘的觀）各自獨(dú)立提出電子以漂移和擴(kuò)散的方式越過勢壘的觀點(diǎn)。點(diǎn)。n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。n19471947年巴?。臧投。˙ardeinBardein）提出巴丁勢壘模型。）提出巴丁勢壘模型。n由于點(diǎn)接觸二極管的重復(fù)性很差，由于點(diǎn)接觸二極管的重復(fù)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(jié)二極管所結(jié)二極管所代替。代替。n到到7070年代，采用新的半導(dǎo)體平面工藝和真空工藝來制造具有重復(fù)性的金屬年代，采用新的半導(dǎo)體平面工藝和真空工

5、藝來制造具有重復(fù)性的金屬半導(dǎo)體半導(dǎo)體接觸，使金屬接觸，使金屬半導(dǎo)體結(jié)器件獲得迅速的發(fā)展和應(yīng)用。半導(dǎo)體結(jié)器件獲得迅速的發(fā)展和應(yīng)用。n非整流結(jié)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(yīng)。這種接非整流結(jié)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(yīng)。這種接觸幾乎對(duì)所有半導(dǎo)體器件的研制和生產(chǎn)都是不可缺少的部分，因?yàn)樗邪雽?dǎo)體器件觸幾乎對(duì)所有半導(dǎo)體器件的研制和生產(chǎn)都是不可缺少的部分，因?yàn)樗邪雽?dǎo)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。概念：同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)、金半結(jié)、歐姆接觸n同質(zhì)結(jié)：同材料PN結(jié)n異質(zhì)結(jié)：不同材料PN結(jié)n金半結(jié)：

6、金屬與半導(dǎo)體接觸（肖特基勢壘二極管）n歐姆接觸：沒有整流效應(yīng)的接觸n功函數(shù)：電子溢出表面吸收的最小能量。0mFmeEE金屬的功函數(shù)：0sFseEE半導(dǎo)體的功函數(shù)：0ccFsEEEEcFnsEE電子親和能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（考慮金屬與N-N-半導(dǎo)體）半導(dǎo)體） 半導(dǎo)體功函數(shù)半導(dǎo)體功函數(shù) 金屬的功函數(shù)金屬的功函數(shù) 半導(dǎo)體的電子親和勢。半導(dǎo)體的電子親和勢。 假設(shè)半導(dǎo)體表面沒有表面態(tài)，接觸是理想的，半導(dǎo)體能帶直到表面都是平直的。假設(shè)半導(dǎo)體表面沒有表面態(tài)，接觸是理想的，半導(dǎo)體能帶直到表面都是平直的。 自建電勢

7、差自建電勢差 肖特基勢壘高度肖特基勢壘高度 或或 (體電勢體電勢) 其中其中 mqSqSqmqS0（4-1-1） （4-1-3） dCTCnTFcnNNVnNlVqEEVln（4-1-4） sm0nbV0smbxqq（4-1-2） 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n正偏壓：在半導(dǎo)體上相對(duì)于金屬加一負(fù)電壓正偏壓：在半導(dǎo)體上相對(duì)于金屬加一負(fù)電壓 。n半導(dǎo)體半導(dǎo)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 ，n反偏壓：正電壓反偏壓：正電壓 加于半導(dǎo)體上。加于半導(dǎo)體上。n勢壘被提高到勢壘被提高到 （ 圖圖4-2c）。）。VV00q0()qV

8、RV)(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(duì)于均勻摻雜的半導(dǎo)體，類似于對(duì)于均勻摻雜的半導(dǎo)體，類似于 結(jié)，在空間電荷區(qū)解結(jié)，在空間電荷區(qū)解Poisson方程方程可得空間電荷區(qū)寬度：可得空間電荷區(qū)寬度： NP 21002dRqNVkW（4-1-5） 結(jié)電容結(jié)電容： AVNqkWAkCRd210002（4-1-6） 或或 020221RdVANqkC（4-1-7） 4.14.1肖特基勢壘肖特基勢壘 與與P-N

9、P-N結(jié)情形一樣，可以給出結(jié)情形一樣，可以給出 與與 的關(guān)系曲線以得到直線關(guān)系的關(guān)系曲線以得到直線關(guān)系（圖（圖4-3）。從中可以計(jì)算出自建電勢和半導(dǎo)體的摻雜濃度。）。從中可以計(jì)算出自建電勢和半導(dǎo)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(duì)應(yīng)關(guān)系與外加電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系 1 0 1 2 3 4 0 2 4 6 8 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(jì)算硅肖特基二極管的施主濃度、自建電勢和勢壘高度。計(jì)算硅肖特基二極管的施主濃度、自建電勢和勢

10、壘高度。解解 利用（利用（4-4-1-71-7）式）式 ，寫成，寫成 在圖在圖4-34-3中電容是按單位面積表示的，因此中電容是按單位面積表示的，因此 。我們求得。我們求得 時(shí)：時(shí)： ，因此因此 22020201212CVAqkCdVdAqkNRRd1AVVR121521516 102110.6 10RCVVC，時(shí)，162215212.17 10()4.6 101RVVFcmC4.14.1肖特基勢壘肖特基勢壘 由于從圖由于從圖4-34-3有有 ，所以有，所以有 24. 0106 . 2108 . 2ln026. 0ln1519dcTnNNVVV4 . 0064. 024. 04 . 00nbV

11、4.14.1肖特基勢壘肖特基勢壘 小結(jié)小結(jié) 金屬金屬半導(dǎo)體接觸出現(xiàn)兩個(gè)最重要的效應(yīng)：整流效應(yīng)和歐姆效應(yīng)。前者稱為整流接半導(dǎo)體接觸出現(xiàn)兩個(gè)最重要的效應(yīng)：整流效應(yīng)和歐姆效應(yīng)。前者稱為整流接觸，又叫做整流結(jié)。后者稱為歐姆接觸，又叫做非整流結(jié)。觸，又叫做整流結(jié)。后者稱為歐姆接觸，又叫做非整流結(jié)。金屬與金屬與N N型半導(dǎo)體接觸如果金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)則將形成肖特基勢壘。型半導(dǎo)體接觸如果金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)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。畫出了熱平衡情況下的肖特基勢壘能帶圖。半導(dǎo)體空間電荷層自建電勢為半導(dǎo)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

12、或或sm0smbxqqnbV0dCTCnTFcnNNVnNlVqEEVln4.14.1肖特基勢壘肖特基勢壘 小結(jié)小結(jié) 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(fèi)米能級(jí)不變，因此由于金屬中具有大量的電子，偏壓情況下金屬費(fèi)米能級(jí)不變，因此 不變不變 不變亦可從公式（不變亦可從公式（4-34-3）看出）看出解解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(dǎo)體的摻雜濃度，為半導(dǎo)體的

13、摻雜濃度， 為反向偏壓。為反向偏壓。 bqbq21002dRqNVkWdNRV4.14.1肖特基勢壘肖特基勢壘 小結(jié)小結(jié) 肖特基勢壘結(jié)電容肖特基勢壘結(jié)電容或或 與與P-NP-N結(jié)情形一樣，可以由結(jié)情形一樣，可以由 與與 的關(guān)系曲線求出自建電勢和半導(dǎo)體的摻雜情的關(guān)系曲線求出自建電勢和半導(dǎo)體的摻雜情況。況。 AVNqkWAkCRd210002020221RdVANqkC21 CRV4.24.2界面態(tài)對(duì)勢壘高度的影響界面態(tài)對(duì)勢壘高度的影響4.24.2界面態(tài)對(duì)勢壘高度的影響界面態(tài)對(duì)勢壘高度的影響 由由（4-4-1-1-2 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

14、線測量所得到的曲線測量所得到的 不一致。這是因?yàn)樵趯?shí)際的肖特基二極管中，在界面處晶格的斷裂產(chǎn)不一致。這是因?yàn)樵趯?shí)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)，稱為生大量能量狀態(tài)，稱為界面態(tài)或表面態(tài)界面態(tài)或表面態(tài)，位于禁帶內(nèi)。界面態(tài)通常按能量，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(jí)連續(xù)分布，并可用一中性能級(jí) 表征。表征。若若 與費(fèi)米能級(jí)對(duì)準(zhǔn)，則凈表與費(fèi)米能級(jí)對(duì)準(zhǔn)，則凈表面電荷為零。在實(shí)際的接觸中，面電荷為零。在實(shí)際的接觸中， 時(shí)，界面態(tài)的凈電荷為正，類似時(shí)，界面態(tài)的凈電荷為正，類似于施主。這些正電荷和金屬表面的負(fù)電荷所形成的電場在金屬和半導(dǎo)體之于施主。這些正電荷和金屬表

15、面的負(fù)電荷所形成的電場在金屬和半導(dǎo)體之間的微小間隙間的微小間隙 中產(chǎn)生電勢差，所以耗盡層內(nèi)需要較少的電離施主以達(dá)中產(chǎn)生電勢差，所以耗盡層內(nèi)需要較少的電離施主以達(dá)到平衡。到平衡。 0E0E0EFEbq4.24.2界面態(tài)對(duì)勢壘高度的影響界面態(tài)對(duì)勢壘高度的影響 4-4 4-4 被表面態(tài)鉗制的費(fèi)米能級(jí)被表面態(tài)鉗制的費(fèi)米能級(jí) 4.24.2界面態(tài)對(duì)勢壘高度的影響界面態(tài)對(duì)勢壘高度的影響 結(jié)果是，自建電勢被顯著降低如圖（結(jié)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（4-4-1-1-3 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

16、小的看到，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(fù)電荷，并使，則在界面態(tài)中有負(fù)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(fù)反饋效應(yīng)，它趨向于因此，界面態(tài)的電荷具有負(fù)反饋效應(yīng)，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(fèi)米能級(jí)實(shí)際上被鉗位則費(fèi)米能級(jí)實(shí)際上被鉗位在在 （稱為（稱為費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)），而），而 變成與金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)無變成與金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)無關(guān)。關(guān)。 bFE0E0EFEbFE0EFE0Eb0Ebq4.24.2界面態(tài)對(duì)勢壘高度的影響界

17、面態(tài)對(duì)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(dǎo)體上的肖特基勢壘高度型半導(dǎo)體上的肖特基勢壘高度 4 4.3.3鏡像力對(duì)勢壘高度的影響鏡像力對(duì)勢壘高度的影響 4 4.3.3鏡像力對(duì)勢壘高度的影響鏡像力對(duì)勢壘高度的影響 圖圖4-5 鏡像力降低金屬鏡像力降低金屬 半導(dǎo)體勢壘半導(dǎo)體勢壘 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

18、基效應(yīng)肖特基效應(yīng)，如圖如圖4-5所示。所示。 0 x4 4.3.3鏡像力對(duì)勢壘高度的影響鏡像力對(duì)勢壘高度的影響 三、三、鏡像力對(duì)勢壘高度的影響鏡像力對(duì)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(yīng)）：一、鏡像力降低肖特基勢壘高度（肖特基效應(yīng)）： 鏡象力引起的鏡象力引起的電子電勢能為電子電勢能為 其中邊界條件取為其中邊界條件取為: : 時(shí)，時(shí)， 和和 時(shí)，時(shí)， 。如圖。如圖4.54.5（b b）所示。所示。 2022021624xkqxkqFxkqFdxxEx02116)(x0 xE（4-3-1） （4-3-2） 10E 4 4.3.3鏡像力對(duì)勢壘高度的影響鏡像力對(duì)勢壘高度的影響將原來

19、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(dǎo)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性的，因而界面附近的導(dǎo)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）?？倓菽転?xqxE)(2 xqxkqxExExE022116)(（4-3-3） （4-3-4） 4 4.3.3鏡像力對(duì)勢壘高度的影響鏡像力對(duì)勢壘高度的影響2202000161616mmmqqkxqkxqxk 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(shè)勢壘高度降低的位置發(fā)生在設(shè)勢壘高度降

20、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（4-3-44-3-4）式得到）式得到 0dxxdE（4-3-5） 20( )16qE xq xkx 4 4.3.3鏡像力對(duì)勢壘高度的影響鏡像力對(duì)勢壘高度的影響由于由于 故故大電場下，肖特基勢壘被鏡大電場下，肖特基勢壘被鏡像像力降低很多。力降低很多。 mxEmmbxqxkqq0216004216kqxxkqxmmmb（4-3-6） cmV510cmV1710,6,12. 0nmxevqmbnmxevqmb1,2 . 14 4.3.3鏡像力對(duì)勢壘高度的影響鏡像力對(duì)勢壘高度的影響 鏡鏡像像力使肖特基勢壘高度降低的

21、力使肖特基勢壘高度降低的前提前提是金屬表面附近的半導(dǎo)體導(dǎo)帶要是金屬表面附近的半導(dǎo)體導(dǎo)帶要有電子存在。有電子存在。 所以在測量勢壘高度時(shí)，如果測量方法與電子在金屬和半導(dǎo)體間的輸所以在測量勢壘高度時(shí)，如果測量方法與電子在金屬和半導(dǎo)體間的輸運(yùn)有關(guān)，則所得結(jié)果是運(yùn)有關(guān)，則所得結(jié)果是 ；如果測量方法只與耗盡層的空間電荷有；如果測量方法只與耗盡層的空間電荷有關(guān)而不涉及電子的輸運(yùn)（例如電容方法），則測量結(jié)果不受鏡像力影響。關(guān)而不涉及電子的輸運(yùn)（例如電容方法），則測量結(jié)果不受鏡像力影響。bb4 4.3.3鏡像力對(duì)勢壘高度的影響鏡像力對(duì)勢壘高度的影響空穴也產(chǎn)生鏡像力，它的作用是使半導(dǎo)體能帶的價(jià)帶頂附近向上彎曲，

22、空穴也產(chǎn)生鏡像力，它的作用是使半導(dǎo)體能帶的價(jià)帶頂附近向上彎曲，如圖如圖4-6所示，但它不象導(dǎo)帶底那樣有極值，結(jié)果使接觸處的能帶變窄。所示，但它不象導(dǎo)帶底那樣有極值，結(jié)果使接觸處的能帶變窄。 FME 圖 4-6 鏡像力對(duì)半導(dǎo)體能帶的影響 4 4.3.3鏡像力對(duì)勢壘高度的影響鏡像力對(duì)勢壘高度的影響小結(jié)小結(jié)肖特基效應(yīng)：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(yīng)：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 度下降。這種效應(yīng)叫做肖特基效應(yīng)。度下降。這種效應(yīng)叫做肖特基效應(yīng)。 作為一種近似把理想肖特基勢壘半導(dǎo)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

23、勢壘半導(dǎo)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(yīng)。解釋了肖特基效應(yīng)。 xqxE)(2 xqxkqxExExE022116)(4 4.3.3鏡像力對(duì)勢壘高度的影響鏡像力對(duì)勢壘高度的影響小結(jié)小結(jié)計(jì)算了肖特基勢壘的降低和總能量最大值發(fā)生的位置：計(jì)算了肖特基勢壘的降低和總能量最大值發(fā)生的位置： 016mqxk 04bqk 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4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特肖特基勢壘二極管的電流電壓特性性 熱電子和熱電子和熱載流子二極管熱載流子二極管：當(dāng)電子來到勢壘頂上向金屬發(fā)射時(shí)，它們的能量比：當(dāng)電

24、子來到勢壘頂上向金屬發(fā)射時(shí)，它們的能量比金屬電子高出約金屬電子高出約 。進(jìn)入金屬之后它們?cè)诮饘僦信鲎惨越o出這份多余的能量之前，。進(jìn)入金屬之后它們?cè)诮饘僦信鲎惨越o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(gè)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(gè)緣故，肖特基勢壘二極管有時(shí)被稱為熱載流子二極管。這些載流子在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)和金肖特基勢壘二極管有時(shí)被稱為熱載流子二極管。這些載流子在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)和金屬電子達(dá)到平衡屬電子達(dá)到平衡，這個(gè)時(shí)間一般情況小于，這個(gè)時(shí)間一般情況小于一、空間電荷區(qū)中載流子濃度的變化一、空間電荷區(qū)

25、中載流子濃度的變化 對(duì)于非簡并化情況，導(dǎo)帶電子濃度和價(jià)帶空穴濃度為對(duì)于非簡并化情況，導(dǎo)帶電子濃度和價(jià)帶空穴濃度為 ns1 . 0bqKTEEiKTEEiFiiFenpenn（4-5-1） 4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特肖特基勢壘二極管的電流電壓特性性 設(shè)半導(dǎo)體內(nèi)本征費(fèi)米能級(jí)為設(shè)半導(dǎo)體內(nèi)本征費(fèi)米能級(jí)為 ，熱平衡時(shí)半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子濃度為，熱平衡時(shí)半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子濃度為表面空間電荷區(qū)內(nèi)，本征費(fèi)米能級(jí)為表面空間電荷區(qū)內(nèi)，本征費(fèi)米能級(jí)為 則空間電荷區(qū)中載流子濃度為則空間電荷區(qū)中載流子濃度為 （4-5-2） 0iEKTEEiKTEEiFiiFenpenn0000)()(0 xqExEii（4-5-

26、3） TVxKTxqenenxn)(0)(0)(TVxKTxqepepxp)(0)(0)(（4-5-4） （4-5-5）4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特肖特基勢壘二極管的電流電壓特性性 在半導(dǎo)體與金屬界面處在半導(dǎo)體與金屬界面處 稱為表面勢。稱為表面勢。 取半導(dǎo)體內(nèi)為電勢零點(diǎn)，則表面勢取半導(dǎo)體內(nèi)為電勢零點(diǎn)，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-dushmanRichardson-dushman）方程方程 在在 M-S M-S 界面界面 （4-5-6） （4-5-7） TsVsenn0TsVsepp0ss0TsVsenn04.4肖特

27、基勢壘二極管的電流電壓特肖特基勢壘二極管的電流電壓特性性 （4-5-9） TbTTnTVcVVVcVseNeeNenn000TbVcSeNn即即當(dāng)有外加電壓當(dāng)有外加電壓 時(shí)時(shí) VTbVVcSeNn（4-5-10） 4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特肖特基勢壘二極管的電流電壓特性性 由氣體動(dòng)力論，單位時(shí)間入射到單位面積上的電子數(shù)即進(jìn)入金屬的電子數(shù)為由氣體動(dòng)力論，單位時(shí)間入射到單位面積上的電子數(shù)即進(jìn)入金屬的電子數(shù)為式中式中為熱電子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度，為熱電子的平均熱運(yùn)動(dòng)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(dǎo)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(dǎo)體越過勢壘向金屬發(fā)射所形

28、成的電流密度為 與此同時(shí)電子從金屬向半導(dǎo)體中發(fā)射的電流密度為與此同時(shí)電子從金屬向半導(dǎo)體中發(fā)射的電流密度為 （4-5-11） thSvn41mkTvth8mb4TVVc thSMqN vJeb4TVc thMSqN vJe（4-5-12） 4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特肖特基勢壘二極管的電流電壓特性性 總電流密度為總電流密度為 導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度為導(dǎo)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(guān)系電壓關(guān)系 （4-5-14） 14TTbCVVVthMSSMeevqNJJJ（4-5-13） 323*22hKTmNCCNthv1102TTTbVVVVV

29、eJeeTRJ4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特肖特基勢壘二極管的電流電壓特性性 其中其中 稱為有效里查森常數(shù)，它是在電子向真空中發(fā)射時(shí)的里查森常數(shù)中，用半導(dǎo)體稱為有效里查森常數(shù)，它是在電子向真空中發(fā)射時(shí)的里查森常數(shù)中，用半導(dǎo)體電子的有效質(zhì)量代替自由電子質(zhì)量而得到的。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(guān)常數(shù)，最后得到代入有關(guān)常數(shù)，最后得到 的單位為的單位為 ，其數(shù)值依賴于有效質(zhì)量，對(duì)于其數(shù)值依賴于有效質(zhì)量，對(duì)于N N型硅和型硅和P P型硅，分別為型硅，分別為110110和和3232；對(duì)于；對(duì)于N N型和型和P P型型 ，分別為，分別為8 8和和7474。 （4-5-15） TbVe

30、TRJ20*32*4*hqKmR（4-5-16） （4-5-17） R22cmKAGaAs2200*120*RR mmmmA cm K4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特肖特基勢壘二極管的電流電壓特性性 當(dāng)肖特基勢壘被施加反向偏壓當(dāng)肖特基勢壘被施加反向偏壓 時(shí)，將（時(shí)，將（4-4-5-145-14）式中的）式中的 換成換成 即可得到即可得到反向偏壓下的電流反向偏壓下的電流電壓關(guān)系。電壓關(guān)系。于是，于是， 結(jié)在正反兩種偏壓下的電流結(jié)在正反兩種偏壓下的電流電壓關(guān)系可以統(tǒng)一用下式表示電壓關(guān)系可以統(tǒng)一用下式表示 稱為理想化因子，它是由非理想效應(yīng)引起的。對(duì)于理想的肖特基勢壘二極管，稱為理想化因子，它是由非

31、理想效應(yīng)引起的。對(duì)于理想的肖特基勢壘二極管， 兩種肖特基二極管的實(shí)驗(yàn)兩種肖特基二極管的實(shí)驗(yàn) 特性示于圖特性示于圖4-74-7中。中。 （4-5-18） （4-5-19） VRVSM 10TnVVeJJ10TnVVeIIn1nVI RV4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特肖特基勢壘二極管的電流電壓特性性 圖圖4.7 和和 肖脫基二極管正向電流密度與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系肖脫基二極管正向電流密度與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系SiW GaAsW 4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特肖特基勢壘二極管的電流電壓特性性 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（4-4-5-155

32、-15）式一起來求出勢壘高度。理想化因子可由半對(duì)數(shù)曲線的斜率計(jì)算出來。對(duì)于式一起來求出勢壘高度。理想化因子可由半對(duì)數(shù)曲線的斜率計(jì)算出來。對(duì)于SiSi二極管得到二極管得到 ， 二極管二極管n=1.04n=1.04?？梢姡??？梢姡?-4-5-145-14）式較好地適）式較好地適于于 , , ,和和 等常用半導(dǎo)體材料作成的肖特基勢壘。等常用半導(dǎo)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(dǎo)的，是一種多子器件。以上分析說明，肖特基勢壘電流基本上是由多子傳導(dǎo)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（4-4-5-155-15），反向電流應(yīng)為常數(shù)，這與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

33、出現(xiàn)偏差。），反向電流應(yīng)為常數(shù)，這與實(shí)驗(yàn)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 （4-4-5-205-20）實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(duì)反向偏壓情況的描述。是對(duì)反向偏壓情況的描述。 VI 0V0J02. 1nGaAsGeSiGaAsbbbTbbVeTRJ20*4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特肖特基勢壘二極管的電流電壓特性性三、少數(shù)載流子電流三、少數(shù)載流子電流 空穴從金

34、屬注入到半導(dǎo)體中形成電流。這個(gè)電流實(shí)際上是半導(dǎo)體價(jià)帶頂附近的電子流空穴從金屬注入到半導(dǎo)體中形成電流。這個(gè)電流實(shí)際上是半導(dǎo)體價(jià)帶頂附近的電子流向金屬費(fèi)米能級(jí)以下的空狀態(tài)而形成的。向金屬費(fèi)米能級(jí)以下的空狀態(tài)而形成的。其中其中 10TVVppeIIkTEpdVcppgeLNNNqADI0（4-5-21） （4-5-22） 在象硅在象硅這樣這樣的共價(jià)的共價(jià)鍵鍵半半導(dǎo)導(dǎo)體中體中 要比要比 小的多，小的多，結(jié)結(jié)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(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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肖特基勢壘二極管的電流電壓特性性例：一個(gè)肖特基勢壘二極管，例

35、：一個(gè)肖特基勢壘二極管， ，計(jì)算勢壘高度和耗盡層寬度。比較多數(shù)載，計(jì)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(shè)流子電流和少數(shù)載流子電流，假設(shè) 解：解： 由圖由圖4-74-7求得求得 。由方程（。由方程（4-4-5-155-15） 31610cmNdsp61050105 . 6J2cmA = = 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肖特基勢壘二極管的電流電壓特性性 時(shí)，耗盡層寬度為時(shí)，耗盡層寬度為 設(shè)設(shè) （ ），則），

36、則 因此因此 0RVscmDp236時(shí)31610cmNdcmDLppp3106211163210192010210106)105 . 1 (36106 . 1cmANLnqDJdpipp611500102 . 3102105 . 6PJJ50022 .61 0dkWc mq N 4.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特肖特基勢壘二極管的電流電壓特性性小結(jié)小結(jié) 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(dá)式和半導(dǎo)體表面載流子濃度表達(dá)式：表面空間電荷區(qū)內(nèi)載流子濃度表達(dá)式和半導(dǎo)體表面載流子濃度

37、表達(dá)式：TVxKTxqenenxn)(0)(0)(TVxKTxqepepxp)(0)(0)(TsVsenn0TsVsepp04.4肖特基勢壘二極管的電流電壓特肖特基勢壘二極管的電流電壓特性性小結(jié)小結(jié) 根據(jù)氣體動(dòng)力論給出了從半導(dǎo)體進(jìn)入金屬的電子流密度：根據(jù)氣體動(dòng)力論給出了從半導(dǎo)體進(jìn)入金屬的電子流密度： 式中式中 為熱電子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度，為熱電子的平均熱運(yùn)動(dòng)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

38、子空穴電流可以忽略。thSvn41mkTvth8m10TnVVeJJ10TnVVeII4.5肖特基勢壘二極管的結(jié)構(gòu)肖特基勢壘二極管的結(jié)構(gòu)4.5肖特基勢壘二極管的結(jié)構(gòu)肖特基勢壘二極管的結(jié)構(gòu) N 2SiO M （a） 耗盡層 N N N 2SiO M （ b） N N 2SiO M （ c） p保 護(hù) 環(huán) 圖圖4-8 實(shí)用的肖特基二極管結(jié)構(gòu)：實(shí)用的肖特基二極管結(jié)構(gòu)： （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(hù)環(huán)二極管。采用保護(hù)環(huán)二極管。 4.64.6金屬金屬絕緣體絕緣體半導(dǎo)體肖特基二極半導(dǎo)體肖特基二極管管4.6金屬金屬絕緣體絕緣體半導(dǎo)體肖特基二極管半導(dǎo)體肖特基二

39、極管圖圖4-9 結(jié)構(gòu)的能帶圖結(jié)構(gòu)的能帶圖 MIS4.64.6金屬金屬絕緣體絕緣體半導(dǎo)體肖特基二極管半導(dǎo)體肖特基二極管 傳導(dǎo)電流是由載流子隧道穿透氧化層所形成的：傳導(dǎo)電流是由載流子隧道穿透氧化層所形成的： 從導(dǎo)帶邊緣算起的平均勢壘高度，以電子伏特為單位。從導(dǎo)帶邊緣算起的平均勢壘高度，以電子伏特為單位。 氧化層厚度，以埃為單位。氧化層厚度，以埃為單位。 的乘積無量綱，的乘積無量綱， 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(dǎo)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(jié)果是增加數(shù)載

40、流子電流。這導(dǎo)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(jié)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*（4-6-1） x21x4.74.7肖特基勢壘二極管和肖特基勢壘二極管和P-NP-N結(jié)二極管結(jié)二極管之間的比較之間的比較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(jié)二極管之間的比較結(jié)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(jié)二極管是少子器件結(jié)二極管是少子器件。（1 1）在肖特基勢

41、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）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(guān)的應(yīng)用。速開關(guān)的應(yīng)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(jié)上的低得多。低的接通電壓使得肖特基二極結(jié)上的低得多。低的接通電壓使得肖特基二極管對(duì)于管對(duì)于鉗鉗位和限輻的應(yīng)用具有吸引力。位和限輻的應(yīng)用具有吸引力。（3 3）肖特基勢壘的溫度特性優(yōu)于肖特基勢壘的溫度特性優(yōu)于P-NP-N結(jié)結(jié)。 （4 4）噪聲特性也噪聲特性也優(yōu)于優(yōu)于P-NP-N結(jié)結(jié)。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。

42、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(jié)二極管之間的比較結(jié)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(jié)二極管之間的比較結(jié)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(jié)二極管之間的比較結(jié)二極管之間的比較小結(jié)小結(jié)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(jié)二極管相比具有高頻、高速，低接通結(jié)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(diǎn)電壓，低溫度系數(shù)和低噪聲的特點(diǎn) 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(jié)二極管制造工藝簡單得多。結(jié)二極管制造

43、工藝簡單得多。 4.8肖特基勢壘二極管的應(yīng)用肖特基勢壘二極管的應(yīng)用4.8肖特基勢壘二極管的應(yīng)用肖特基勢壘二極管的應(yīng)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(jié)電容，結(jié)電容，r rs s串聯(lián)電阻。串聯(lián)電阻。 （4-8-14-8-1）為二極管結(jié)電阻（擴(kuò)散電阻）。為二極管結(jié)電阻（擴(kuò)散電阻）。 dIdVrd4.8肖特基勢壘二極管的應(yīng)用肖特基勢壘二極管的應(yīng)用 一、一、肖特基勢壘檢波器或混頻器肖特基勢壘檢波器或混頻器 由電磁學(xué)，復(fù)阻抗由電磁學(xué)，復(fù)阻抗 當(dāng)當(dāng) 時(shí)在時(shí)在 上的功率耗散和在結(jié)上的相等。式中上的功率耗散和在結(jié)上的相等。式中 稱稱為截止頻率。為截止頻率。因?yàn)橐驗(yàn)?，所以有，所以有對(duì)于高頻運(yùn)用，對(duì)于高頻運(yùn)用， 、 和和 都應(yīng)該很小。如果半導(dǎo)體具有高雜質(zhì)濃度和高遷移率，是能都應(yīng)該很小。如果半導(dǎo)體具有高雜質(zhì)濃度和高遷移率，是能夠?qū)崿F(xiàn)小的夠?qū)崿F(xiàn)小的 。通過采用。通過采用 材料，工作頻率接近材料，工作頻率接近 看來是有可能的?？磥硎怯锌赡艿?。 222(1)1rj crc rZ Z2221ddcdsrCrrSrcdrSrsddcrrC221（4-8-3） dCdrsrSrGa