半導(dǎo)體器件原理第三章

半導(dǎo)體器件原理第三章第一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第三章：金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)3.1肖特基勢(shì)壘二極管3.2金屬—半導(dǎo)體的歐姆接觸3.3異質(zhì)結(jié)3.4小結(jié)2第二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五能帶圖Φ:功函數(shù)，單位為伏特。從費(fèi)米能級(jí)將一個(gè)電子移到剛巧在該種材料之外的一個(gè)位置（真空能級(jí)）所需的能量。Χ：電子親和能，單位伏特。從導(dǎo)帶底將一個(gè)電子移到剛巧該種材料之外的一個(gè)位置（真空能級(jí)）所需的能量。參數(shù)符號(hào)金屬功函數(shù)半導(dǎo)體功函數(shù)電子親和能肖特基勢(shì)壘內(nèi)建電勢(shì)差真空能級(jí)EcEFEFiEvEF金屬的功函數(shù)和半導(dǎo)體的電子親和能都是材料本身的本征參數(shù)，它們都反映了材料中能級(jí)相對(duì)于真空電子能級(jí)的相對(duì)位置。第三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五部分金屬和半導(dǎo)體的參數(shù)元素功函數(shù)，ΦmAg4.26Al4.28Au5.1Cr4.5Mo4.6Ni5.15Pd5.12Pt5.65Ti4.33W4.55元素電子親和能，χGe4.13Si4.01GaAs4.07AlAs2.5第四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.1肖特基勢(shì)壘二極管肖特基二極管是以其發(fā)明人華特?肖特基博士（WalterHermannSchottky，1886年7月23日—1976年3月4日）命名的，SBD是肖特基勢(shì)壘二極管（SchottkyBarrierDiode,縮寫(xiě)成SBD）的簡(jiǎn)稱(chēng)。SBD不是利用P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸形成PN結(jié)原理制作的，而是利用金屬與半導(dǎo)體整流接觸形成的金屬－半導(dǎo)體結(jié)原理制作的。因此，SBD也稱(chēng)為金屬－半導(dǎo)體（接觸）二極管或表面勢(shì)壘二極管，它是一種熱載流子二極管。肖特基二極管是近年來(lái)問(wèn)世的低功耗、大電流、超高速半導(dǎo)體器件。其反向恢復(fù)時(shí)間極短（可以小到幾納秒），正向?qū)▔航祪H0.4V左右，而整流電流卻可達(dá)到幾千毫安。這些優(yōu)良特性是快恢復(fù)二極管（簡(jiǎn)稱(chēng)FRD）所無(wú)法比擬的。5第五頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五全球知名半導(dǎo)體制造商ROHM開(kāi)發(fā)出非常適用于服務(wù)器和高端計(jì)算機(jī)等的電源PFC電路的、第3代SiC（Silicon

Carbide:碳化硅）肖特基勢(shì)壘二極管最低正向電壓VF=1.35V、25℃近年來(lái)，在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、工業(yè)用各種電源裝置、電動(dòng)汽車(chē)及家電等電力電子領(lǐng)域，為提高功率轉(zhuǎn)換效率以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能，更高效率的功率元器件產(chǎn)品備受期待。SiC器件與以往的Si器件相比，具有優(yōu)異的材料特性，在這些領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛。尤其是在服務(wù)器等這類(lèi)要求更高電源效率的設(shè)備電源中，SiC-SBD產(chǎn)品因其快速恢復(fù)特性可有效提高效率而被用于PFC電路來(lái)提高設(shè)備效率。第六頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.1肖特基勢(shì)壘二極管接觸前：半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)高于金屬，半導(dǎo)體中的電子流向比它能級(jí)低的金屬中，而帶正電的空穴仍留在半導(dǎo)體中，從而形成一個(gè)空間電荷區(qū)（耗盡層）。半導(dǎo)體導(dǎo)帶中得電子向金屬中移動(dòng)存在勢(shì)壘Vbi，就是半導(dǎo)體的內(nèi)建電勢(shì)差：7理想肖特基勢(shì)壘：帶邊相對(duì)于參考能級(jí)(真空電子能級(jí))位置不變考慮金屬與n型半導(dǎo)體接觸參數(shù)ΦB0是半導(dǎo)體接觸的理想勢(shì)壘高度（肖特基勢(shì)壘）：Φm>Φs第七頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五外加電壓后，金屬和半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)不再相同，二者之差等于外加電壓引起的電勢(shì)能之差反偏情況下，半導(dǎo)體-金屬勢(shì)壘高度增大，金屬一邊的勢(shì)壘不隨外加電壓而改變，即：φB0不變。反偏勢(shì)壘變高為：Vbi+VR半導(dǎo)體一邊，加正偏，勢(shì)壘降低為Vbi-Va。φB0仍然不變。肖特基勢(shì)壘的能帶圖（a）未加偏壓（b）加正向偏壓（c）加反向偏壓可以看到在偏壓下，肖特基結(jié)的勢(shì)壘高度變化情況與pn結(jié)類(lèi)似第八頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

φM>φS，整流接觸正偏：半導(dǎo)體勢(shì)壘高度變低，電子從S注入M，形成凈電流I，I隨VA的增加而增加。反偏：勢(shì)壘升高，阻止電子從半導(dǎo)體向金屬流動(dòng)，金屬中的一些電子能越過(guò)勢(shì)壘向半導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，但這一反向電流很小。結(jié)論：φM>φS時(shí)，理想的MS接觸類(lèi)似于pn結(jié)二極管，具有整流特性。肖特基二極管：正偏時(shí)，半導(dǎo)體中電子形成的勢(shì)壘減小，作為多子的電子更容易從半導(dǎo)體流向金屬。第九頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五理想結(jié)特性 用與處理pn結(jié)類(lèi)似的方法來(lái)確定肖特基結(jié)的靜電特性 假定半導(dǎo)體摻雜均勻空間電荷密度半導(dǎo)體介電常數(shù)邊界條件：x=xn時(shí)，E=0第十頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五空間電荷區(qū)寬度在突變結(jié)近似的條件下求出空間電荷區(qū)寬度若在整個(gè)耗盡區(qū)內(nèi)為Nd常數(shù)，做V關(guān)系應(yīng)該為直線。單位面積的耗盡層電容第十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五解

Ge電子親和勢(shì)為：χ=4.13eV，耗盡區(qū)寬度為：

例受主濃度為Na=1017cm-3的p型Ge，室溫下的功函數(shù)是多少？若不考慮界面態(tài)的影響，它與Al接觸時(shí)形成整流接觸還是歐姆接觸？如果是整流接觸，求其肖特基勢(shì)壘的高度。第十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五肖特基模型預(yù)言的勢(shì)壘高度很難在實(shí)驗(yàn)中觀察到,實(shí)測(cè)的勢(shì)壘高度和理想條件存在偏差.原因:1)不可避免的界面層δ≠02)界面態(tài)的存在3)鏡像力的作用3.1肖特基勢(shì)壘二極管第十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.1肖特基勢(shì)壘二極管鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響（肖特基效應(yīng)）界面態(tài)的影響14影響肖特基勢(shì)壘高度的非理想因素第十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.1肖特基勢(shì)壘二極管非理想因素鏡像電荷電子一、鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響在金屬-真空系統(tǒng)中，一個(gè)在金屬外面的電子，要在金屬表面感應(yīng)出正電荷，同時(shí)電子要受到正電荷的吸引；鏡像力和鏡像電荷：若電子距離金屬表面的距離為x，則電子與感應(yīng)正電荷之間的吸引力相對(duì)于位于（-x）處時(shí)的等量正電荷之間的吸引力。正電荷叫鏡像電荷，吸引力叫鏡像引力。第十五頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

金屬--真空系統(tǒng)金屬功函數(shù)為qφm，當(dāng)金屬表面加電場(chǎng)時(shí)，有效功函數(shù)(或勢(shì)壘)降低。這種降低來(lái)自電場(chǎng)和鏡象力的聯(lián)合效應(yīng)。1.無(wú)電場(chǎng)時(shí)，將金屬中的電子移到真空，需要能量qφm。2.以金屬表面為勢(shì)能零點(diǎn)。3.有外加電場(chǎng)，不考慮鏡像力，真空中的電子的電勢(shì)能隨著離開(kāi)金屬表面的距離增加，按照--q|E|x降低。4.若考慮到真空中電子在金屬表面感生的正電荷，有鏡像力和鏡像勢(shì)能存在。5.結(jié)果，電子的能量由電場(chǎng)力和鏡像力聯(lián)合作用，使有效功函數(shù)降低。在金屬表面和真空之間的能帶圖。第十六頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五真空中一個(gè)電子與金屬相距x，在金屬表面感生正電荷，電子與感生電荷之間的吸引力（鏡像力）將一個(gè)電子從無(wú)窮遠(yuǎn)移到x點(diǎn)過(guò)程中所作的功：相當(dāng)于距金屬表面x處的一個(gè)電子勢(shì)能。第十七頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五電勢(shì)表達(dá)式：半導(dǎo)體中存在內(nèi)建電場(chǎng)和內(nèi)建電勢(shì)，總電勢(shì)電勢(shì)能為：第十八頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五肖特基效應(yīng)：勢(shì)壘的鏡像力降低19在無(wú)窮遠(yuǎn)處電勢(shì)為0在電介質(zhì)中距離x處的電子能夠形成電場(chǎng)，電場(chǎng)線與金屬表面必須垂直，與另一個(gè)置于與金屬表面同樣距離的假想電荷（+e）形成的電場(chǎng)線相同假設(shè)不存在電場(chǎng)時(shí)的電勢(shì)能曲線。在恒定電場(chǎng)影響下，電子的勢(shì)能曲線第十九頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五鏡像力的勢(shì)能將疊加到理想肖特基勢(shì)壘上，勢(shì)能在x=xm處出現(xiàn)最大值，【鏡像力和電場(chǎng)力平衡的地方】，說(shuō)明鏡像力使肖特基勢(shì)壘頂向內(nèi)移動(dòng)，并且引起勢(shì)壘高度降低，這就是肖特基勢(shì)壘的鏡像力降低現(xiàn)象，又叫做肖特基效應(yīng)。第二十頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五鏡像力使實(shí)際的勢(shì)壘高度降低，可求出勢(shì)壘的最大高度和對(duì)應(yīng)的xm勢(shì)壘高度的變化量非常小，但從后邊可以看到，勢(shì)壘高度和電流-電壓關(guān)系呈指數(shù)關(guān)系變化，因而微小的勢(shì)壘高度變化將會(huì)導(dǎo)致明顯的電流變化3.1肖特基勢(shì)壘二極管非理想因素在高電場(chǎng)下，肖特基勢(shì)壘大大降低。第二十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.1肖特基勢(shì)壘二極管非理想因素二、界面態(tài)對(duì)勢(shì)壘高度的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，很多半導(dǎo)體在與金屬形成金--半接觸時(shí)，半導(dǎo)體中的勢(shì)壘高度幾乎與所用金屬無(wú)關(guān)，只與半導(dǎo)體有關(guān)，幾乎是常數(shù)。理想MS接觸認(rèn)為接觸勢(shì)壘僅由金屬的功函數(shù)決定，實(shí)際上半導(dǎo)體表面存在的表面態(tài)對(duì)接觸勢(shì)壘有較大影響。表面態(tài)位于禁帶中，對(duì)應(yīng)的能級(jí)稱(chēng)為表面能級(jí)，表面態(tài)分為施主型和受主型兩類(lèi)。若能級(jí)被電子占據(jù)時(shí)呈電中性，釋放電子后呈正電，稱(chēng)為施主型表面態(tài)。若能級(jí)空著時(shí)呈電中性，而接受電子后呈負(fù)電，稱(chēng)為受主型表面態(tài)。第二十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.1肖特基勢(shì)壘二極管非理想因素界面態(tài)的影響施主型表面態(tài)：能級(jí)釋放電子后顯正電性。受主型表面態(tài)：能級(jí)接受電子后顯負(fù)電性。23表面態(tài)的電中性能級(jí)第二十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五電中性條件 當(dāng)表面態(tài)有凈的正電荷存在時(shí)，造成半導(dǎo)體內(nèi)正施主電荷量減少，從而使得空間電荷區(qū)縮短，勢(shì)壘降低； 當(dāng)表面態(tài)有凈的負(fù)電荷存在時(shí)，造成半導(dǎo)體內(nèi)正施主電荷量增多，從而使得空間電荷區(qū)加寬，勢(shì)壘增高；實(shí)際肖特基勢(shì)壘高度是電場(chǎng)強(qiáng)度和表面態(tài)的函數(shù)。由于表面態(tài)密度無(wú)法預(yù)知，所以勢(shì)壘高度是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值3.1肖特基勢(shì)壘二極管非理想因素第二十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五與pn結(jié)不同，主要靠多數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)來(lái)決定電流的情況。電流-電壓關(guān)系25電流輸運(yùn)過(guò)程正偏電壓下的五種基本輸運(yùn)過(guò)程從半導(dǎo)體→金屬，越過(guò)勢(shì)壘（中等摻雜，中等溫度主要過(guò)程）穿過(guò)勢(shì)壘，量子隧穿（重?fù)诫s，低溫，主要針對(duì)歐姆接觸在空間電荷區(qū)擴(kuò)散在耗盡區(qū)內(nèi)電子擴(kuò)散空穴從金屬注入并擴(kuò)散到半導(dǎo)體（相當(dāng)于中性區(qū)的復(fù)合）其它：

邊緣漏電流，界面電流第二十五頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五1、從半導(dǎo)體→金屬，越過(guò)勢(shì)壘高遷移率半導(dǎo)體→熱發(fā)射理論低遷移率半導(dǎo)體→擴(kuò)散理論二者綜合：廣義的熱電子擴(kuò)散理論兩個(gè)過(guò)程：電子擴(kuò)散漂移通過(guò)耗盡層，再?gòu)陌雽?dǎo)體向金屬發(fā)射第二十六頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱電子發(fā)射電流 當(dāng)載流子遷移率較高，相應(yīng)的平均自由程ln很大，以至于遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于勢(shì)壘區(qū)厚度xD時(shí)(ln>>xD)適用于此理論。 對(duì)于電子而言，勢(shì)壘的形狀并不重要，起決定作用的是勢(shì)壘頂點(diǎn)的高度——半導(dǎo)體體內(nèi)的電子只要有足夠的能量超過(guò)勢(shì)壘的頂點(diǎn)，就可以自由地通過(guò)阻擋層進(jìn)入金屬；同樣，金屬中能超越勢(shì)壘頂?shù)碾娮右材苓_(dá)到半導(dǎo)體體內(nèi)；所以電流的計(jì)算就歸納為計(jì)算超越勢(shì)壘的載流子數(shù)目，這就是熱電子發(fā)射理論。 顯然，熱電子發(fā)射電流與體內(nèi)電子的能量分布有關(guān)。3.1肖特基勢(shì)壘二極管電流電壓關(guān)系1)熱電子發(fā)射理論(Bethe提出,通常的高遷移率半導(dǎo)體,Si,GaAs)第二十七頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.1肖特基勢(shì)壘二極管電流電壓關(guān)系電流流過(guò)熱電子發(fā)射過(guò)程的輸運(yùn)第二十八頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五電子由半導(dǎo)體流向金屬所引起的電流密度可表示為： 其中Ec‘是通過(guò)熱電子發(fā)射至金屬所需的最小能量，vx是載流子沿著電流輸運(yùn)方向的速度；滿足熱電子發(fā)射條件的電子濃度的微分值為： 其中N(E)為導(dǎo)帶的態(tài)密度，F(xiàn)(E)為費(fèi)米－狄拉克概率分布函數(shù)3.1肖特基勢(shì)壘二極管電流電壓關(guān)系第二十九頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五假設(shè)仍然滿足麥克斯韋－玻爾茲曼近似條件，則有：假設(shè)半導(dǎo)體材料中電子的能量高于Ec部分均為電子的動(dòng)能，則有：從半導(dǎo)體向金屬的凈電流密度為3.1肖特基勢(shì)壘二極管電流電壓關(guān)系第三十頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五其中A*為有效理查德森常數(shù)正偏條件下金屬－半導(dǎo)體之間形成肖特基結(jié)的能帶圖及其電路符號(hào)3.1肖特基勢(shì)壘二極管電流電壓關(guān)系第三十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五流過(guò)肖特基結(jié)的總電流可表示為電子由半導(dǎo)體流入金屬中所引起的電流Js→m與電子由金屬流入半導(dǎo)體中所引起的電流Jm→s之差，即：由熱平衡總電流為零知：第三十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五電流的正方向定義ms，因此可得：上述方程也可表示為通常二極管電流方程形式，即：和pn結(jié)相同的電流變化規(guī)律3.1肖特基勢(shì)壘二極管電流電壓關(guān)系第三十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五其中：

稱(chēng)為肖特基結(jié)二極管的反向飽和電流密度。式中фBn通常即為理想情況下的肖特基勢(shì)壘高度фB0，對(duì)于硅材料來(lái)說(shuō)，有效理查遜常數(shù)為A*=120A/cm2K2，對(duì)于砷化鎵材料來(lái)說(shuō)，則為A*=1.12A/cm2K2。A*和有效質(zhì)量有關(guān)，實(shí)際是與狀態(tài)密度有關(guān)3.1肖特基勢(shì)壘二極管電流電壓關(guān)系第三十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.1肖特基勢(shì)壘二極管與PN結(jié)比較肖特基勢(shì)壘二極管反向飽和電流密度：理想pn結(jié)二極管反向飽和電流密度：雖然J-V形式很相似，但反向飽和電流密度有很大差異1、電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)不同。pn結(jié)二極管的反偏電流主要由少數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)決定的，而肖特基二極管中得電流由多數(shù)載流子通過(guò)熱電子發(fā)射躍過(guò)內(nèi)建電勢(shì)差而形成的。Pn結(jié)比肖特基二極管小2~3個(gè)數(shù)量級(jí)。35第三十五頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.1肖特基勢(shì)壘二極管與PN結(jié)比較36肖特基結(jié)二極管的開(kāi)啟電壓：0.3V左右pn結(jié)二極管的開(kāi)啟電壓0.6V左右第三十六頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.1肖特基勢(shì)壘二極管與PN結(jié)比較2.兩種二極管正偏時(shí)的特性也不同，肖特基二極管的開(kāi)啟電壓低于pn結(jié)二極管的有效開(kāi)啟電壓。3.二者的頻率響應(yīng)特性，即開(kāi)關(guān)特性不同。pn結(jié)從正偏轉(zhuǎn)向反偏時(shí)，由于正偏時(shí)積累的少數(shù)載流子不能立即消除，開(kāi)關(guān)速度受到電荷存儲(chǔ)效應(yīng)的限制；肖特基勢(shì)壘二極管，由于沒(méi)有少數(shù)載流子存儲(chǔ)，可以用于快速開(kāi)關(guān)器件，開(kāi)關(guān)時(shí)間在皮秒數(shù)量級(jí)，其開(kāi)關(guān)速度受限于結(jié)電容和串聯(lián)電阻相聯(lián)系的RC延遲時(shí)間常數(shù)。工作頻率可高達(dá)100GHz，而pn結(jié)的開(kāi)關(guān)時(shí)間是納秒數(shù)量級(jí)。第三十七頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.1肖特基勢(shì)壘二極管與PN結(jié)比較開(kāi)關(guān)特性pn結(jié)二極管靠少子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成電流，外加正偏電壓時(shí)少子首先形成一定的積累，再靠擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成電流。肖特基二極管的電流取決于多子通過(guò)內(nèi)建電勢(shì)的發(fā)射電流。外加正偏電壓時(shí)直接形成漂移電流流走。38第三十八頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第三章：金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)3.1肖特基勢(shì)壘二極管3.2金屬—半導(dǎo)體的歐姆接觸3.3異質(zhì)結(jié)3.4小結(jié)39第三十九頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.2金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸任何半導(dǎo)體器件最后都要用金屬與之接觸，并由導(dǎo)線引出，因此，獲得良好的歐姆接觸是十分必要的。歐姆接觸是接觸電阻很低的結(jié)，理想狀態(tài)下，歐姆接觸所形成的電流是電壓的線性函數(shù)。兩種歐姆接觸：使表面不產(chǎn)生勢(shì)壘的接觸隧道效應(yīng)40第四十頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五EcEFEFiEvEFEcEvEFEcEFEvEFEFEcEv理想非整流接觸N型（半導(dǎo)體）歐姆接觸：金屬功函數(shù)小于半導(dǎo)體功函數(shù)偏壓下電子在金屬-半導(dǎo)體界面?zhèn)鬏敃r(shí)，遇到的勢(shì)壘很小N型歐姆接觸往往采用功函數(shù)較小的金屬，如Al3.2金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸第四十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五EcEFEFiEvEFEcEvEFEcEFEFiEvEFEcEvEFP型（半導(dǎo)體）歐姆接觸：金屬功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)偏壓下電子在金屬-半導(dǎo)體界面?zhèn)鬏敃r(shí)，遇到的勢(shì)壘很小P型歐姆接觸往往采用功函數(shù)較大的金屬，如Pt3.2金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸第四十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五理想情況下，我們選用功函數(shù)合適的金屬和半導(dǎo)體就可以形成歐姆接觸，但實(shí)際Si、Ge、GaAs這些半導(dǎo)體的表面都有很高的表面態(tài)密度，無(wú)論是N型材料還是P型材料的接觸都無(wú)法有效降低勢(shì)壘，因而這種方法通常并不成功。第四十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五前述沒(méi)有考慮界面態(tài)的影響。實(shí)際由于界面態(tài)的影響，很難很好的形成歐姆接觸.因此，實(shí)際的歐姆接觸采用隧道效應(yīng)。提高表面雜質(zhì)濃度，利用隧道效應(yīng)制成的歐姆接觸，這是目前在生產(chǎn)實(shí)踐中主要使用的方法。443.2金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸隧道效應(yīng)第四十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五利用隧道效應(yīng)形成歐姆接觸：高摻雜薄勢(shì)壘強(qiáng)隧道效應(yīng)歐姆接觸EcEFEvEF摻雜濃度增大，隧道幾率增大有效質(zhì)量越小，越利于隧穿隧道電流和勢(shì)壘高度也有關(guān)系n++nM隧道電流：隧道電流隨摻雜濃度的增大而指數(shù)增大。3.2金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸隧道效應(yīng)第四十五頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五接觸電阻接觸電阻Rc 對(duì)于低摻雜的整流接觸來(lái)說(shuō)，電流-電壓關(guān)系為熱電子發(fā)射機(jī)制，因而單位接觸電阻為：I-V曲線在零偏下斜率的倒數(shù)對(duì)于低摻雜金-半接觸來(lái)說(shuō)，接觸電阻強(qiáng)烈依賴(lài)于勢(shì)壘高度ΦBn3.2金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸比接觸電阻第四十六頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五對(duì)于高摻雜濃度的金屬-半導(dǎo)體結(jié)來(lái)說(shuō)，隧道效應(yīng)將起到主要作用。其單位接觸電阻為：當(dāng)摻雜濃度低于1017時(shí)，金-半接觸主要為熱電子發(fā)射機(jī)制；當(dāng)濃度大于1019時(shí)，隧道效應(yīng)將占據(jù)主導(dǎo)地位；在兩者之間時(shí)，則兩種電流成分兼有。制作歐姆接觸需要提高表面摻雜和降低界面勢(shì)壘。但實(shí)際上歐姆接觸的制作需要大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于禁帶寬度比較大的半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，歐姆接觸的制作更加困難。高摻雜的金屬-半導(dǎo)體結(jié)的接觸電阻強(qiáng)烈依賴(lài)于摻雜濃度3.2金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸比接觸電阻Rc隨Nd呈指數(shù)規(guī)律變化。第四十七頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五擴(kuò)散界面和合金化實(shí)際金屬-半導(dǎo)體界面總是一個(gè)過(guò)渡界面，這來(lái)源于金屬和半導(dǎo)體原子的相互擴(kuò)散（典型為10個(gè)原子層厚度）在一定溫度（200oC~800oC）進(jìn)行退火會(huì)加劇這種互擴(kuò)行為，從而使過(guò)渡區(qū)更寬。金屬-半導(dǎo)體原子之間可能只是簡(jiǎn)單共熔，也可能形成由特定比例金屬原子和半導(dǎo)體原子構(gòu)成的化合物，如硅化物；硅化物一般為多晶態(tài)，大小與金屬的晶粒相當(dāng)，表現(xiàn)出金屬性。由于退火導(dǎo)致金屬擴(kuò)散至半導(dǎo)體內(nèi)部，形成金屬化的硅化物區(qū)域，因而避開(kāi)了表面沾污，表面懸掛鍵形成的表面態(tài)的影響，因而可以更穩(wěn)定的形成歐姆接觸。3.2金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸比接觸電阻第四十八頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五一般而言，無(wú)論是哪種歐姆接觸方式，都要求半導(dǎo)體盡量高的摻雜濃度一般需要在一定的溫度下進(jìn)行退火實(shí)際的歐姆接觸制作往往極端依賴(lài)于半導(dǎo)體材料的重?fù)诫s，表面處理、金屬和退火工藝。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)在歐姆接觸的制備過(guò)程中是非常重要的。3.2金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸比接觸電阻第四十九頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第三章：金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)3.1肖特基勢(shì)壘二極管3.2金屬—半導(dǎo)體的歐姆接觸3.3異質(zhì)結(jié)3.4小結(jié)50第五十頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.3異質(zhì)結(jié)形成異質(zhì)結(jié)的材料以前討論的pn結(jié)，是由導(dǎo)電類(lèi)型相反的同一種半導(dǎo)體單晶體材料組成，也稱(chēng)同質(zhì)結(jié)。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)是指由兩種不同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的結(jié)；由于形成異質(zhì)的兩種材料通常具有不同的禁帶寬度和電子合能，異質(zhì)結(jié)的能帶圖是可以多種多樣的；與兩種材料的不同性質(zhì)相連系，異質(zhì)結(jié)具有許多獨(dú)特的性質(zhì)。不僅能給器件的設(shè)計(jì)提供更多的自由度，而且可能提供新的技術(shù)利用。51第五十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五一個(gè)良好的異質(zhì)結(jié)要求有小的界面態(tài)密度；過(guò)高的界面態(tài)密度會(huì)使異質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)劣化，這是許多異質(zhì)結(jié)常常面臨的問(wèn)題，形成異質(zhì)結(jié)的兩種材料的晶格常數(shù)應(yīng)是相近的，晶格常數(shù)的失配會(huì)在界面產(chǎn)生大量的懸掛鍵，從而形成大量界面態(tài)。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成往往依賴(lài)于高精度的外延技術(shù)，如MBE、MOCVD等。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)可根據(jù)材料的導(dǎo)電類(lèi)型分成同型異質(zhì)結(jié)和異型異質(zhì)結(jié)。第五十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五導(dǎo)電類(lèi)型相同的材料構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)稱(chēng)為同型異質(zhì)結(jié)； 如：n-NGe-Si，n-NSi-GaAs，p-PSi-GaP；導(dǎo)電類(lèi)型相反的材料構(gòu)