《半導體器件物理》學習指導（PPT）課件第四章

1、 第四章第四章 金屬半導體結金屬半導體結一 名詞 概念 術語 問題n整流接觸（整流結） 歐姆接觸（非整流結）n肖特基勢壘高度：金屬半導體結從金屬到半導體的勢壘。n肖特基效應：鏡象力使勢壘降低的效應。n畫出金屬和N型半導體在形成理想接觸前后的能帶圖并說明肖特基勢壘的形成。n解： 圖（圖4.1）為金屬和 型半導體在形成接觸之前的理想的能帶圖。其中金屬功函數(shù) 大于半導體的功函數(shù) 。 為半導體的電子親和勢。圖中假設了半導體表面沒有表面態(tài)，其能帶直到表面都是平直的。用某種方法把金屬和半導體接觸，由于 ，電子將從半導體渡越到金屬。使半導體表面出現(xiàn)未被補償?shù)碾x化施主的正電荷，金屬表面則積累負電荷，同時二者的

2、費米能級拉平。電中性要求金屬表面的負電荷與半導體表面的正電荷必須量值相等符號相反。金屬表面的負電荷是多余出來的導電電子，只占據(jù)很薄的一層（約0.5 nm ）。NmqSqSSqmqnm 由于半導體中施主濃度比金屬中電子濃度低幾個數(shù)量級，所以半導體中的正電荷將占據(jù)相對較厚的一個薄層，即在半導體表面形成了空間電荷層。和 結一樣，空間電荷的電場將阻止半導體中電子流入金屬。達到熱平衡時形成穩(wěn)定的自建電場和自建電勢，半導體的能帶向上彎曲，形成了阻止半導體中電子向金屬渡越的勢壘。 肖特基勢壘二極管和肖特基勢壘二極管和 結二極管之間的比較：基本區(qū)結二極管之間的比較：基本區(qū)別在于肖特基勢壘二極管是多子器件，別在

3、于肖特基勢壘二極管是多子器件， 結二極管是少結二極管是少子器件。因此：（子器件。因此：（1）由于沒有少數(shù)載流子貯存，貯存時間可忽略不計，肖特基勢壘二極管對于高頻和快速開關的應用來說是理想的；（2）由于多數(shù)載流子電流遠高于少數(shù)載流子電流，肖特基勢壘中的飽和電流遠高于具有同樣面積的 結二極管，因此，對于同樣的電流，在肖特基勢壘上的正向電壓降要比 結上的低得多，低的接通電壓使得肖特基二極管對于箝位和限輻的應用具有吸引力；（3）多子數(shù)目起伏小，因此肖特基二極管噪聲??；（4）溫度特性好。 NPNPNPNPNPn 畫出加偏壓肖特基勢壘能帶圖，說明肖特基勢壘二極管的整流特性n解： 若在半導體上相對于金屬加一

4、負電壓 ，則半導體金屬之間的電勢差減少為 ，半導體中的電子能級相對金屬的向上移動 ，勢壘高度則由 變成 ，而 基本上保持不變（圖4-2b）。在半導體一邊勢壘的降低使得半導體中的電子更易于移向金屬，這是正向偏壓條件，能夠流過大的電流。如果是正電壓 加于半導體上，這便是反向偏壓條件（圖4-2c），則勢壘被提高到 ，同樣 基本上保持不變。提高的勢壘阻擋半導體中的電子移向金屬，電流很?。▓D4-2c）。（圖4.2）VV00q)(0VqbqVRV)(0RVqbn畫出集成結構示意圖說明肖特基勢壘鉗位晶體管的工作原理（圖4.13）n解：由于肖特基勢壘具有快速開關響應，因而可以把它 和 晶體管的集電極基極結并聯(lián)

5、連接，以減小晶體管的貯存時間。當晶體管飽和時，集電結被正向偏置約達 。若在肖特基二極管上的正向壓降（一般為 ）低于晶體管基極集電極的開態(tài)電壓，則大部分過量基極電流流過二極管，該二極管沒有少數(shù)載流子貯存效應。因此，與單獨的晶體管相比較，合成器件的貯存時間得到顯著的降低。肖特基勢壘箝位晶體管是按示于圖4-13b的結構以集成電路的形式實現(xiàn)的。鋁在輕摻雜的 型集電區(qū)上而形成極好的肖特基勢壘，并同時在重摻雜的 型基區(qū)上面形成優(yōu)良的歐姆接觸。NPNV5 . 0V3 . 0NPn為什么金屬與重摻雜半導體接觸可以形成歐姆接觸？n答：若半導體為重摻雜（例如，具有 或更高的雜質濃度時），則空間電荷層寬度變得如此之

6、薄，以至載流子可以隧道穿透而不是越過勢壘。由于在勢壘每邊的電子都可能隧道穿透到另一邊，因此實現(xiàn)了在正反向偏壓下基本上對稱的 曲線。因此勢壘是非整流的，并有一低電阻。31910cmVI 二 重要推導n導出肖特基二極管I-V特性n解：對于非簡并化情況，導帶電子濃度和價帶空穴濃度如下： 在半導體內部，設本征費米能級為 ，則熱平衡時半導體內部的載流子濃度為 KTEEiKTEEiFiiFenpenn0iEKTEEiKTEEiFiiFenpenn0000n在表面附近的空間電荷區(qū)內電子的附加電勢能為 ，本征費米能級為 在空間電荷區(qū)中載流子濃度為 n在半導體與金屬界面處 xq)()(0 xqExEiiTVxK

7、Txqenenxn)(0)(0)(TVxKTxqepepxp)(0)(0)(TsVsenn0n其中 是半導體的表面勢。取半導體內為電勢零點，則半導體表面勢 = ， 為空間電荷區(qū)自建電勢差。于是在 界面，電子濃度為即當有外加電壓時， ss00SM TbTTnTVcVVVcVseNeeNenn000TbVcSeNnTbVVcSeNnn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 為熱電子的平均熱運動速度， 為電子有效質量。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n與此同時也有電子從金屬向半導體中發(fā)射，由于金屬一側的勢壘高度 不受偏壓的影響，所以這個電流密度

8、是thSvn41mkTvth8mTVVthcSMevqNJb4bqTVthcMSevqNJb4n總電流密度為n導帶有效狀態(tài)密度為 ，代入 ，得到熱電子發(fā)射理論的電流電壓關系n其中14TTbCVVVthMSSMeevqNJJJ323*22hKTmNCCNthv1102TTTbVVVVVeJeeTRJTbVeTRJ20*32*4*hqKmRn當肖特基勢壘被施加反向偏壓 時，將（4-24）式中的 換成 即可得到反向偏壓下的電流電壓關系。于是， 結在正反兩種偏壓下的電流電壓關系可以統(tǒng)一用下式表示或式中 稱為理想化因子。 RVVRVSM 10TnVVeJJ 10TnVVeIInn證明鏡像力使肖特基勢壘高

9、度降低： 其中 n證明：半導體中距金屬表面為 的電子受到的鏡像力為 電勢能為其中邊界條件取為 時， 和 時， 。 004216kqxxkqxmmmb1/20()16mqxK x2022021624xkqxkqFxkqFdxxEx02116)(（2） x0E0 xE（1） n對于肖特基勢壘，這個勢能將迭加到理想肖特基勢壘能帶圖上，將原來的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為n其中 為表面附近的電場，等于勢壘區(qū)最大電場。總勢能為n設勢壘高度降低的位置發(fā)生在 處，勢壘高度降低值為 。令 ，由（3）式得到xqxE)(2 xqxkqxExExE022116)(（3） mxbq 0

10、dxxdE 由于 故 220201/2001616()16mmmqqkxqkxqxk （4） mxEmmbxqxkqq0216004216kqxxkqxmmmb（5） 三 重要圖表圖4.1、4.2、4.3、4.4四 重要習題n4-3 畫出金屬在P型半導體上的肖脫基勢壘的能帶結構圖，忽略表面態(tài)，指出（a） 和（b） 兩種情形是整流節(jié)還是非整流結，并確定自建電勢和勢壘高度。n解：如下圖所示 A.smsmmsqqnB.msqqn4-10（a）推導出在肖特基二極管中 作為電流密度的函數(shù)表達式。假設少數(shù)載流子可以忽略。n （b）倘若在300K時，一般地V=0.25V以及 ，估計溫度系數(shù)。n解：（a）dTdVVb7 . 0)exp()exp(1)exp()exp(2*2*TTbTTbVVVTRVVVTRJ)exp(*ln2TbTVTRJVV)exp(*ln2TbTVTRJdTd