半導體理器件物課件

-半導體結●肖特基勢壘●界面態(tài)對勢壘高度的影響●鏡像力對勢壘高度的影響●肖特基勢壘二極管的結構●肖特基勢壘二極管的電流-電壓特性●金屬-絕緣體-半導體肖特基勢壘二極管●肖特基勢壘二極管和PN結二極管之間的比較●肖特基勢壘二極管的應用●歐姆接觸引言金屬-半導體結器件是應用于電子學的最古老的固態(tài)器件。金屬—半導體形成的冶金學接觸叫做金屬-半導體結（M-S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積的金屬薄膜都可以實現金屬-半導體結，前者稱為點接觸，后者則相對地叫做面接觸。金屬-半導體接觸出現兩個最重要的效應：其一是整流效應，其二是歐姆效應。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。1874年布朗（Brawn）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。1906年皮卡德（Pickard）獲得了硅點接觸整流器專利。引言1938年肖特基和莫特（Mott）各自獨立提出電子以漂移和擴散的方式解釋勢壘的觀點。19世紀20年代出現了鎢-硫化鉛點接觸整流器和氧化亞銅整流器。同年，塔姆（Tamm）提出表面態(tài)的概念。1931年肖特基(Schottky)等人提出M-S接觸處存在某種“勢壘”的想法。1932年威爾遜（Wilson）等用量子理論的隧道效應和勢壘的概念解釋了M-S接觸的整流效應。1907年皮爾斯（Pierce）提出，在各種半導體上濺射金屬可以制成整流二極管。4.1肖特基勢壘4.1.1肖特基勢壘的形成考慮金屬與N-半導體－半導體功函數－金屬的功函數－電子親和勢(真空能級和導帶底之差）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。自建電勢差肖特基勢壘高度或其中：4.1肖特基勢壘4.1.2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半導體-金屬之間的電勢差減少為，變成反偏壓：正電壓加于半導體上勢壘被提高到4.1肖特基勢壘4.1.2加偏壓的肖特基勢壘根據加偏壓的的肖特基勢壘能帶圖與單邊突變PN結，正偏壓下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，能夠流過大的電流。在反向偏壓條件下，半導體一邊勢壘被提高。被提高的勢壘阻擋電子由半導體向金屬渡越。流過的電流很小。這說明肖特基勢壘具有單向導電性即整流特性。由于金屬中具有大量的電子，空間電荷區(qū)很薄，因此加偏壓的的肖特基勢壘能帶圖中

幾乎不變。4.1肖特基勢壘4.1.2加偏壓的肖特基勢壘與PN結情形一樣，可以給出與的關系曲線以得到直線關系。從中可以計算出自建電勢和半導體的摻雜濃度圖4-3鎢硅和鎢砷化鎵的二極管1/C2與外加電壓的對應關系

4.1肖特基勢壘例：從圖4-3計算硅肖特基二極管施主濃度、自建電勢、勢壘高度。解：利用（4-1-9）式，寫成4.1肖特基勢壘●學習要求了解金屬—半導體接觸出現兩個最重要的效應

畫出熱平衡情況下的肖特基勢壘能帶圖掌握公式（4-1-6）（4-1-1）（4-1-3）（4-1-5）（4-1-7）畫出加偏壓的的肖特基勢壘能帶圖，根據能帶圖解釋肖特基勢壘二極管的整流特性由與的關系曲線求出自建電勢和半導體的摻雜情況4.2界面態(tài)對勢壘高度的影響三、界面態(tài)的影響圖4-4被表面態(tài)鉗制的費米能級4.2界面態(tài)對勢壘高度的影響三、界面態(tài)的影響結果是，自建電勢被顯著降低如圖（4-4a），并且，根據式（4-1-3），勢壘高度也被降低。從圖4-4（a）看到，更小的使更接近。與此類似，若，則在界面態(tài)中有負電荷，并使增加，還是使和接近（圖4-4b）。因此，界面態(tài)的電荷具有負反饋效應，它趨向于使和接近。若界面態(tài)密度很大，則費米能級實際上被鉗位在（稱為費米能級釘扎效應），而變成與金屬和半導體的功函數無關。在大多數實用的肖特基勢壘中，界面態(tài)在決定數值當中處于支配地位，勢壘高度基本上與兩個功函數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4-1中。發(fā)現大多數半導體的能量在離開價帶邊附近。

4.2界面態(tài)對勢壘高度的影響三、界面態(tài)的影響表4-1以電子伏特為單位的N型半導體上的肖特基勢壘高度4.3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）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為（4-3-3）

其中為表面附近的電場，等于勢壘區(qū)最大電場（包括內建電場和偏壓電場）?？倓菽転榭梢娫瓉淼睦硐胄ぬ鼗鶆輭镜碾娮幽芰吭谔幭陆担簿褪钦f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象，又叫做肖特基效應。4.3鏡像力對勢壘高度的影響二、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)生在處，勢壘高度降低值為。

令

，由（4-3-4）式得到（4-4-5）

4.3鏡像力對勢壘高度的影響二、勢壘降低的大小和發(fā)生的位置

由于故（4-3-6）

大電場下，肖特基勢壘被鏡像力降低很多。4.3鏡像力對勢壘高度的影響三、空穴鏡像力

空穴也產生鏡像力，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。4.4肖特基勢壘二極管的結構

圖4-8實用的肖特基二極管結構：

（a）簡單接觸，（b）采用金屬搭接，（C）采用保護環(huán)二極管。

4.5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，它們的能量比金屬電子高出約。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，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就會和金屬電子達到平衡，這個時間一般情況小于。4.5肖特基勢壘二極管的電流-電壓特性一、空間電荷區(qū)中載流子濃度的變化

則空間電荷區(qū)中載流子濃度為（4-5-4）

（4-5-5）在半導體與金屬界面處（4-5-6）

（4-5-7）

稱為表面勢。取半導體內為電勢零點，則表面勢4.5肖特基勢壘二極管的電流-電壓特性二、電流－電壓特性(理查森－杜師曼（Richardson-dushman）方程)在M-S界面（4-5-9）

（4-5-10）

即當有外加電壓V

時

4.5肖特基勢壘二極管的電流-電壓特性二、電流－電壓特性(理查森－杜師曼（Richardson-dushman）方程)由氣體動力論，單位時間入射到單位面積上的電子數即進入金屬的電子數為式中（4-5-12）

為熱電子的平均熱運動速度，為電子有效質量。（4-5-13）

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4.5肖特基勢壘二極管的電流-電壓特性二、電流－電壓特性(理查森－杜師曼（Richardson-dushman）方程)其中（4-5-15）

（4-5-16）

（4-5-17）

的單位為，其數值依賴于有效質量，對于N型硅和P型硅，分別為110和32；對于N型和P型GaAs，分別為8和74。稱為有效理查森常數，它是在電子向真空中發(fā)射時的里查森常數中，用半導體電子的有效質量代替自由電子質量而得到的。代入有關常數，最后得到4.4肖特基勢壘二極管的電流-電壓特性二、電流－電壓特性(理查森－杜師曼（Richardson-dushman）方程)當肖特基勢壘被施加反向偏壓時，將（4-5-14）式中的換成即可得到反向偏壓下M-S的電流—電壓關系。于是，金屬－半導體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（4-5-18）

（4-5-19）

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，兩種肖特基二極管的實驗特性示于圖4-7中。4.5肖特基勢壘二極管的電流-電壓特性二、電流－電壓特性(理查森－杜師曼（Richardson-dushman）方程)

圖4.7和肖特基二極管正向電流密度與電壓的對應關系4.5肖特基勢壘二極管的電流-電壓特性二、電流－電壓特性(理查森－杜師曼（Richardson-dushman）方程)使正向I-V曲線延伸至，可以求出參數，可以用它和（4-5-15）式一起來求出勢壘高度。理想化因子可由半對數曲線的斜率計算出來。對于Si二極管得到，GaAs二極管

。可見（4-5-14）式較好地適用于Si、Ge和GaAs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。值得指出的是，根據式（4-28），反向電流應為常數，這與實驗數據出現偏差。其原因之一是4.3節(jié)中所指出的鏡像力作用。把換成，則飽和電流改為實驗發(fā)現，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。4.5肖特基勢壘二極管的電流-電壓特性三、少數載流子電流

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向金屬費米能級以下的空狀態(tài)而形成的。（4-5-21）

（4-5-22）

其中在象硅這樣的共價鍵半導體中要比小的多，結果是熱離子發(fā)射電流通常遠遠大于少數載流子電流

4.5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，，計算勢壘高度和耗盡層寬度。比較多數載流子電流和少數載流子電流，假設解：由圖4-7求得。由方程（4-5-15）于是4.5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，，計算勢壘高度和耗盡層寬度。比較多數載流子電流和少數載流子電流，假設解：時，耗盡層寬度為設，則因此：

4.5肖特基勢壘二極管的電流-電壓特性●學習要求掌握概念：表面勢、熱電子、熱載流子二極管、里查森常數、有效里查森常數導出表面空間電荷區(qū)內載流子濃度表達式和半導體表面載流子濃度表達式：（4-5-4）、（4-5-5）、（4-5-6）、（4-5-7）導出電流－電壓特性〔李查德－杜師曼（Richardson-dushman）方程〕（4-5-18）、（4-5-19）結合例題，比較少子空穴電流與多子電流。4.6金屬-絕緣體-半導體肖特基二極管一、基本結構

在實際情況中，當金屬接觸被蒸發(fā)到化學制備的Si表面上時，在金屬和半導體之間的界面上總有一層氧化層。氧化層很薄，一般為

圖4-9MIS結構的能帶圖

4.6金屬-絕緣體-半導體肖特基二極管二、MIS肖特基二極管在熱平衡時，有一個電位降跨越在氧化層上使得勢壘高度被改變。在MIS肖特基二極管中，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。－氧化層厚度，以埃為單位。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載流子電流，但不降低少數載流子電流。這導致少數載流子電流與多數載流子電流的比率的增長。結果是增加了少數載流子的注入比，這有利于改善諸如太陽電池和發(fā)光二極管等器件的性能。4.7肖特基勢壘二極管和P-N結二極管之間的比較肖特基勢壘二極管是多子器件，P-N結二極管是少子器件。（1）在肖特基勢壘中，由于沒有少數載流子貯存，因此肖特基勢壘二極管適于高頻和快速開關的應用。（2）肖特基勢壘上的正向電壓降要比P-N結上的低得多。低的接通電壓使得肖特基二極管對于鉗位和限輻的應用具有吸引力。（3）肖特基勢壘的溫度特性優(yōu)于P-N結。（4）噪聲特性也優(yōu)于P-N結。此外，肖特基勢壘二極管制造工藝簡單。4.7肖特基勢壘二極管和P-N結二極管之間的比較4.7肖特基勢壘二極管和P-N結二極管之間的比較●學習要求了解與結型二極管相比肖特基勢壘二極管的主要特點。4.8肖特基勢壘二極管的應用肖特基二極管的等效電路Cd－結電容，rs－串聯電阻。

（4-8-1）為二極管結電阻（擴散電阻）。

4.8肖特基勢壘二極管的應用一、肖特基勢壘檢波器或混頻器由電磁學，復阻抗當時在上的功率耗散和在結上的相等。式中稱為截止頻率。因為

，所以有（4-8-3）

對于高頻運用，、和都應該很小。如果半導體具有高雜質濃度和高遷移率，是能夠實現小的。通過采用GaAs材料，工作頻率接近100GHz看來是有可能的。4.8肖特基勢壘二極管的應用二、肖特基勢壘鉗位晶體管

4.8肖特基勢壘二極管的應用二、肖特基勢壘鉗位晶體管

當開關晶體管飽和時，集電結被正向偏置約達0.5V。若在肖特基二極管上的正向壓降（一般為0.3V）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。測得的貯存時間可以低于1ns。肖特基勢壘鉗位晶體管是按示于圖4-13b的結構以集成電路的形式實現的。鋁在輕摻雜的N型集電區(qū)上能形成極好的肖特基勢壘，并同時在重摻雜的P型基區(qū)上面形成優(yōu)良的歐姆接觸。這兩種接觸可以只通過一步金屬化作成，無需額外的工藝。4.8肖特基勢壘二極管的應用●學習要求畫出肖特基勢壘二極管的等效電路，說明各參數所代表的意義。畫出肖特基勢壘鉗位