1、第九章 金屬半導(dǎo)體和 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié),第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié),9.1 肖特基勢(shì)壘二極管 9.2 金屬半導(dǎo)體的歐姆接觸 9.3 異質(zhì)結(jié),9.1 肖特基勢(shì)壘二極管,肖特基勢(shì)壘二極管示意圖,9.1.1 性質(zhì)上的特征,金屬,N型半導(dǎo)體,金屬和n型半導(dǎo)體接觸前的平衡態(tài)能帶圖,基本概念,真空能級(jí)E0:電子完全脫離材料本身的束縛所需的最小能量 功函數(shù)：從費(fèi)米能級(jí)到真空能級(jí)的能量差 電子親和勢(shì)：真空能級(jí)到價(jià)帶底的能量差,金屬的功函數(shù),半導(dǎo)體的親和勢(shì),半導(dǎo)體的功函數(shù),畫能帶圖的步驟： 1. 畫出包括表面在內(nèi)的各部分的能帶圖 2. 使圖沿垂直方向與公共的E0參考線對(duì)齊，并通過 公共界面把圖連起來 3. 不

2、改變半導(dǎo)體界面能帶的位置，向上或向下移動(dòng) 半導(dǎo)體體內(nèi)部分的能帶，直到EF在各處的值相等 4. 恰當(dāng)?shù)匕呀缑嫣幍腅c, Ei, Ev和體內(nèi)Ec, Ev, Ei連接起來 5.去除不重要的,Figure 9.1,ms,兩個(gè)方向都存在電子流動(dòng)的勢(shì)壘,B0=m-,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。 金屬一邊的勢(shì)壘不隨外加電壓而變，即：B0不變。 半導(dǎo)體一邊，加正偏，勢(shì)壘降低為Vbi-Va 反偏勢(shì)壘變高為：Vbi+VR,正偏,反偏,肖特基二極管：正偏金屬的電勢(shì)高于半導(dǎo)體,Ms，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

3、增加。 反偏：勢(shì)壘升高，阻止電子從S向金屬流動(dòng)，金屬中的一些電子能越過勢(shì)壘向半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)，但這一反向電流很小。 結(jié)論： Ms時(shí)，理想的MS接觸類似于pn結(jié)二極管、 具有整流特性,整流接觸,歐姆接觸,金屬和p型半導(dǎo)體接觸的平衡態(tài)能帶圖,7.1 金屬和半導(dǎo)體接觸及其能帶圖,7.1 金屬和半導(dǎo)體接觸及其能帶圖,金屬一邊的勢(shì)壘高度：,7.1 金屬和半導(dǎo)體接觸及其能帶圖,結(jié)論,例2：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，求肖特基勢(shì)壘的高度,9.1.2 理想結(jié)的特性,半導(dǎo)體中空間電荷區(qū)的電荷、電場、

4、電勢(shì)的分布 假設(shè)半導(dǎo)體均勻摻雜Nd.,類比p+n單邊突變結(jié)得出,取金屬的電勢(shì)為0勢(shì)能點(diǎn),結(jié)電容：,由此曲線的截距可以得到Vbi，由斜率可以得到Nd，從而求得n和Bo 235頁例2,9.1.3影響肖特基勢(shì)壘高度的非理想因素,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，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，相當(dāng)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，這個(gè)吸引力叫鏡像引力,電子,鏡像電荷,Figure 9.4,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

5、，（鏡像力和電場力平衡的地方），說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)。,二、 界面態(tài)對(duì)勢(shì)壘高度的影響,前面討論的理想MS接觸，認(rèn)為接觸勢(shì)壘僅由金屬的功函數(shù)決定的，實(shí)際上，半導(dǎo)體表面存在的表面態(tài)對(duì)接觸勢(shì)壘有較大的影響。 表面態(tài)位于禁帶中，對(duì)應(yīng)的能級(jí)稱為表面能級(jí)。表面態(tài)分為施主型和受主型兩類。 若能級(jí)被電子占據(jù)時(shí)呈電中性，施放電子后呈正電，稱為施主型表面態(tài)。 若能級(jí)空著時(shí)呈電中性，而接受電子后呈負(fù)電，稱為受主型表面態(tài)。,表面態(tài)存在一個(gè)距離價(jià)帶頂為0的中性能級(jí)： 電子正好填滿0 以下的所有表面態(tài)時(shí)，表面呈電中性； 0以下的表面態(tài)空

6、著時(shí)，表面帶正電，呈施主型； 0之上的表面態(tài)被電子填充時(shí)，表面帶負(fù)電，呈現(xiàn)受主型。對(duì)于大多數(shù)半導(dǎo)體， 0約為禁帶寬度的三分之一。,假設(shè)在n型半導(dǎo)體表面存在表面態(tài)： 當(dāng)EF低于0時(shí)， 0之下有一些態(tài)是空著的，表面呈正電，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)體之間的微小間隙中產(chǎn)生電勢(shì)差，所以半導(dǎo)體的耗盡層中需要較少的電離施主來平衡。結(jié)果自建勢(shì)被顯著降低， 金屬一邊的勢(shì)壘也降低。,半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)EF高于0，則在0和EF之間的能級(jí)基本上被電子填滿，表面帶負(fù)電。這樣半導(dǎo)體表面附近必定出現(xiàn)正電荷，成為正的空間電荷區(qū)，結(jié)果形成電子的勢(shì)壘，并使B0增加。,9.1.4 電流-電壓關(guān)系,金屬半導(dǎo)體

7、結(jié)中的電流輸運(yùn)機(jī)制，不同于pn結(jié)中少數(shù)載流子決定電流的情況，而是主要取決于多數(shù)載流子。肖特基二極管的基本過程是電子運(yùn)動(dòng)通過勢(shì)壘。這種現(xiàn)象可以通過熱電子發(fā)射理論來解釋。熱電子發(fā)射現(xiàn)象基于勢(shì)壘高度遠(yuǎn)大于kT這一假定。,Js m是電子從半導(dǎo)體擴(kuò)散到金屬中的電流密度， Jm s是電子從金屬擴(kuò)散到半導(dǎo)體中的電流密度。,隨著電場強(qiáng)度和反偏電壓的增大而增大，反偏電流隨反偏電壓的增加而增加。,Figure 9.9,9.1.5肖特基勢(shì)壘二極管 和pn結(jié)二極管的比較,pn結(jié)二極管,肖特基,雖然J-V特性的形式非常相似，但反向飽和電流密度的公式有很大區(qū)別，兩種器件的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)是不同的。Pn結(jié)的電流是由少數(shù)載流子的

8、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)決定的，而肖特基勢(shì)壘二極管中的電流是由多數(shù)載流子通過熱電子發(fā)射躍過內(nèi)建電勢(shì)差而形成的。 JsTJS,Figure 9.10,2.兩種二極管正偏時(shí)的特性也不同，肖特基二極管的開啟電壓低于pn結(jié)二極管的有效開啟有效開啟電壓。 3.二者的頻率響應(yīng)特性，即開關(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，由于沒有少數(shù)載流子存儲(chǔ)，可以用于快速開關(guān)器件，開關(guān)時(shí)間在皮秒數(shù)量級(jí)，其開關(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)的開關(guān)時(shí)間納秒數(shù)量級(jí),MS可以用來加快BJT的瞬態(tài)關(guān)

9、斷過程。稱為肖特基二極管的鉗制。它的作用是，當(dāng)BJT在開啟狀態(tài)進(jìn)入飽和模式時(shí)，MS二極管導(dǎo)通并把CB結(jié)鉗制到相對(duì)低的正偏壓下，這種方法利用了MS能比pn結(jié)的導(dǎo)通電壓低這一特點(diǎn)。這樣CB結(jié)可以維持在一個(gè)相對(duì)較低的電壓上，在BJT中可以有最少的電荷儲(chǔ)存。所以關(guān)斷的時(shí)間顯著減少。,肖特基二極管鉗制npnBJT的電路圖,9.2 金屬半導(dǎo)體的歐姆接觸,金屬與n型半導(dǎo)體接觸：m s,電子從S流向M沒有勢(shì)壘，反之，僅有一小的勢(shì)壘,M0, 就會(huì)有很大的正向電流 反偏：電子從金屬流向半導(dǎo)體會(huì)遇到小的勢(shì)壘，反偏 電壓VR大于零點(diǎn)幾伏，勢(shì)壘就會(huì)變?yōu)?，在相對(duì) 較小的反偏電壓下，會(huì)有很大的電流。且電流 不飽和 結(jié)論：

10、Ms形成歐姆接觸 實(shí)際要形成歐姆接觸時(shí)，要求半導(dǎo)體重?fù)诫s，使空間電荷層很薄，發(fā)生隧道穿透。,9.2 金屬半導(dǎo)體的歐姆接觸,9.2 金屬半導(dǎo)體的歐姆接觸,金屬與P型半導(dǎo)體接觸：m s,由于半導(dǎo)體表面態(tài)的存在，假定半導(dǎo)體能帶隙的上半部分存在受主表面態(tài)，那么所有受主態(tài)都位于EF之下，如圖9.11b.這些表面態(tài)帶負(fù)電荷，將使能帶圖發(fā)生變化。 同樣地假定半導(dǎo)體能帶隙的下半部分存在施主表面態(tài)，如圖9.13b，所有施主態(tài)都位于EF之上，這些表面態(tài)帶正電荷，將使能帶圖發(fā)生變化。因此表面態(tài)的作用無法形成良好的歐姆接觸,9.2 金屬半導(dǎo)體的歐姆接觸,實(shí)際的MS接觸,歐姆接觸的形成,在MS接觸下方半 導(dǎo)體的重?fù)诫s有

11、助 于歐姆接觸的形成,穿過勢(shì)壘型接觸的發(fā)射電流隨摻雜的變化,遂道效應(yīng),金屬半導(dǎo)體接觸的空間電荷層寬度與半導(dǎo)體摻雜濃度的平方根成反比，隨著摻雜濃度的增加，遂穿效應(yīng)增強(qiáng),9.3異質(zhì)結(jié),9.1.1半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié) 兩種不同半導(dǎo)體材料接觸形成的結(jié) 反型異質(zhì)結(jié)：由導(dǎo)電類型相反的兩種不同的半導(dǎo)體 單晶材料所形成的異質(zhì)結(jié)如p-Ge和 n-GaAs 記為p-nGe-GaAs 如p-nGe-Si, n-pGe-GaAs 同型異質(zhì)結(jié)：導(dǎo)電類型相同的兩種半導(dǎo)體材料所形 成的異質(zhì)結(jié).如n-nGe-Si, p-p Ge- GaAs ,p-pSi-GaP 一般把禁帶寬度較小的半導(dǎo)體材料寫在前面。或者用大寫字母表示較寬帶隙的材料，如Np，nP,Nn,pP.,9.2.2 能帶圖,窄帶隙材料和寬帶隙材料在接觸前的能帶圖,由于p區(qū)和n區(qū)的電子親和勢(shì)和禁帶寬度不同，使異質(zhì)結(jié)在界面處的能帶突變，EC和EV的出現(xiàn)將阻礙載流子通過界面，這種對(duì)載流子的限制作用是同質(zhì)結(jié)中所沒有的。,Figure