第4章 金属-半导体结(精品)

, , , , , , ,*,半导体器件物理,第四章,金属,-,半导体结,引言,金属,-,半导体形成的冶金学接触叫做金属,-,半导体结（,M-S,结）或金属,-,半导体接触。,把须状的金属触针压在半导体晶体上或者在高真空下向半导体表面上蒸镀大面积金属薄膜都可以,实现,金属,-,半导体结，前者称,点接触,，后者则相对叫做,面接触,。,金属,-,半导体接触出现两个最重要效应：,整流,效应和,欧姆,效应。前者称为整流接触，又叫做整流结。后者称为欧姆接触，又叫做非整流结。,引言,金属,-,半导体结器件是应用于电子学的最古老的固态器件。,1874,年，布朗（,Brawn,）就提出了金属与硫化铅晶体接触具有不对称的导电特性。,1906,年，皮卡德（,Pickard,）获得了硅点接触整流器专利。,1907,年，皮尔斯（,Pierce,）提出，在各种半导体上溅射金属可以制成整流二极管。,引言,二十年代，出现钨,-,硫化铅点接触整流器和氧化亚铜整硫器。,1931,年，肖特基,(,Schottky,),等人提出,M-S,接触处可能存在某种,“,势垒,”,的想法。,1932,年，威尔逊,（,Wilson,）,等用量子理论的隧道效应和势垒的概念解释了,M-S,接触的整流效应。,1938,年，肖特基和莫特,（,Mott,）,各自独立提出电子以漂移和扩散方式越过势垒观点。塔姆,（,Tamm,）,提出表面态概念。,引言,1947,年，巴丁（,Bardein,）提出巴丁势垒模型。,50,年代，由于点接触二极管的重复性很差，大多数情况下它们已由,PN,结二极管所代替。,70,年代，采用新的半导体平面工艺和真空工艺来制造具有重复性的金属,-,半导体接触，使金属,-,半导体结器件获得迅速的,发展和应用,。,引言,非整流结不论外加电压的极性如何都具有低的欧姆压降而且不呈整流效应。,非整流接触几乎对所有半导体器件的研制和生产都是不可缺少的部分，因为所有半导体器件都需要用欧姆接触与其它器件或电路元件相连接。,4.1,肖特基势垒,第四章,金属,-,半导体结,4,.1,肖特基势垒,一、,肖特基势垒形成（考虑,金属与,N,型半导体,）,半导体功函数 金属功函数,半导体电子亲和势,假设半导体表面没有表面态，能带直到表面平直。,自建电势差,肖特基势垒高度,（,4-1,）,（,4-3,）,（,4-4,）,（,4-2,）,4.1,肖特基势垒,二、加偏压肖特基势垒,(,小结,4,),正偏压,：半导体上相对于金属加,负,电压,半导体,-,金属之间电势差减少为 ， 变成,.,反偏压,：半导体上加,正,电压,势垒提高到,图,4-2,肖特基势垒的能带图,（,a,）,未加偏压,（,b,）,加有正向偏压,（,c,）,加有反向偏压,4.1,肖特基势垒,均匀掺杂半导体，空间电荷区宽度,(,类似,),（,4-5,）,结电容,（,4-6,）,（,4-7,）,4.1,肖特基势垒,与,P-N,结情形一样，给出 与 关系曲线,得直线关系,可以计算出自建电势和半导体的掺杂浓度。,图,4-3,钨,硅和钨,砷化镓的二极管,1/,C,2,与外加电压的对应关系,钨,砷化镓,钨,硅,4.1,肖特基势垒,例题：,从图4-3计算硅肖特基二极管的施主浓度、自建电势和 势垒高度。,解 利用（4-7）式,图4-3中电容按单位面积表示， 。求得,4.1,肖特基势垒,从图4-3,4.1,肖特基势垒,小结,金属,-,半导体接触出现两个最重要的效应：整流效应和欧姆效应。前者称整流接触，又叫做整流结。后者称欧姆接触，又叫做非整流结。,热平衡情况下肖特基势垒能带图。,半导体空间电荷层自建电势,肖特基势垒高度,4.1,肖特基势垒,小结,4,.,加偏压的肖特基势垒能带图与单边突变,PN,结类似,.,正偏压下半导体一边势垒的降低使得半导体中的电子更易于移向金属，能够流过大的电流。在反向偏压条件下，半导体一边势垒被提高。被提高的势垒阻挡电子由半导体向金属渡越。流过的电流很小。这说明肖特基势垒具有单向导电性即整流特性。,5.,由于金属中具有大量的电子，空间电荷区很薄，因此加偏压的的肖特基势垒能带图中,几乎不变。,6.,解,Poisson,方程可得肖特基势垒的空间电荷区宽度,4.1,肖特基势垒,小结,7.,肖特基势垒结电容,8.,与单边突变,PN,结公式相同,与,P-N,结情形一样，可由 与 的关系曲线求出自建电势和半导体的掺杂情况。,4.1,肖特基势垒,教学要求,了解金属,半导体接触出现两个最重要的效应,.,画出热平衡情况下的肖特基势垒能带图。,掌握公式,4.1,肖特基势垒,教学要求,画出加偏压的的肖特基势垒能带图，根据能带图解释肖特基势垒二极管的整流特性,为什么偏压情况下 不变？,由 与 的关系曲线求自建电势和半导体掺杂。,作业：4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、,4.2 界面态对势垒高度影响,第四章,金属,半导体结,4.2 界面态对势垒高度的影响,4-4 被表面态钳制的费米能级,4.2 界面态对势垒高度的影响,实际的肖特基二极管中，在界面处,晶格的断裂产生大量能量状态，称为界面态或表面态，位于禁带内。,4.2 界面态对势垒高度的影响,界面态常按能量连续分布，用,中性能级,表征。如被占据的界面态高达 ，而 以上空着，则这时的,表面为电中性,。,也就是说，当 以下的状态空着时，表面荷正电，类似,施主,的作用；,当 以上的状态被占据时，表面荷负电，类似,受主,的作用。若 与费米能级对准，则净表面电荷为零。,4.2 界面态对势垒高度的影响,实际接触中， ，界面态的净,电荷为正,，类似施主。,这些正电荷和金属表面的负电荷所形成的电场在金属和半导体之间的微小间隙中产生电势差，所以耗尽层内需要较少的电离施主以达到平衡。,结果，自建电势被显著,降低,（,图4-4,a,），,且势垒高度 也被降低，更小的 使 更近 。,4.2 界面态对势垒高度的影响,类似，若 ，则在界面态中有,负电荷,，并使 增加，使 和 接近（,图4-4,b,）。,因此 ，界面态的电荷具有,负反馈,效应，它趋向于使 和 接近。,若界面态密度 很大,则费米能级实际上被钳位在 （称为,费米能级钉扎效应,），而 变成与金属和半导体的功函数无关。,4.2 界面态对势垒高度的影响,多数实用的肖特基势垒中，,界面态,在决定 数值当中处于,支配,地位，势垒高度基本上与两个功函数差以及半导体中的掺杂度无关。,实验观测到的势垒高度,表4-1,发现大多数半导体的能量 在离开价带边 附近。,4.2 界面态对势垒高度的影响,表4-1 以电子伏特为单位的,N,型半导体上的肖特基势垒高度,4,.3,镜像力对势垒高度的影响,第四章,金属,-,半导体结,4,.3,镜像力对势垒高度的影响,一、镜像力降低肖特基势垒高度,（肖特基效应）,镜象力引起,电子电势能,边界条件,（,4-8,）,（,4-9,）,4,.3,镜像力对势垒高度的影响,原来理想肖特基势垒近似看成线性,界面附近导带底势能曲线,为表面附近电场，等于势垒区最大电场（包内建电场和偏压电场）,总势能,（,4-10,）,（,4-11,）,图,4.5,(,c,),原来理想肖特基势垒电子能量在 处下降，也就是使肖特基势垒高度下降。这就是,肖特基势垒的镜像力降低,现象，又叫做肖特基效应。,4,.3,镜像力对势垒高度的影响,图,4-5,镜像力降低金属,半导体势垒,镜像力,:,半导体中金属表面,x,处的电子会在金属上感应出正电荷,这个正电荷称镜像电荷,电子与感应正电荷间的静电引力叫做镜像力,.,4,.3,镜像力对势垒高度的影响,二、势垒降低的大小和发生的位置,设势垒高度降低位置发生在 处，势垒高度降低值,（,4-12,）,4,.3,镜像力对势垒高度的影响,大电场下，肖特基势垒被镜像力降低很多,.,（,4-13,）,4,.3,镜像力对势垒高度的影响,镜像力使肖特基势垒高度降低的,前提,是金属表面附近的半导体导带要有电子存在。,在测量势垒高度时，如果测量方法与电子在金属和半导体间的,输运,有关，则所得结果是 ；如果测量方法只与耗尽层的空间,电荷,有关而不涉及电子的输运（如电容方法），则测量结果不受镜像力影响。,4,.3,镜像力对势垒高度的影响,空穴也产生镜像力,，它的作用是使半导体能带的价带顶附近向上弯曲，图4-6，但它不象导带底那样有极值，结果使接触处能带变窄。,4,.3,镜像力对势垒高度的影响,小结,镜像力使理想肖特基势垒的电子能量下降，也就是使肖特基势垒高度下降。这种效应叫做肖特基效应。,作为一种近似把理想肖特基势垒半导体势垒区电子能量看做线性,据总能量和图,4.5c,解释了肖特基效应。,4.,肖特基势垒的降低值和总能量最大值发生的位置,4,.3,镜像力对势垒高度的影响,教学要求,什么是肖特基效应？解释肖特基效应的物理机制。,根据总能量公式和图,4.5,c,解释肖特基效应。,计算肖特基势垒的降低和总能量最大值发生的位置。,作业：4.8、4.9,4.4 肖特基势垒二极管电流电压特性,第四章,金属,-,半导体结,4.4 肖特基势垒二极管电流电压特性,热电子和热载流子二极管,电子来到势垒顶向金属发射时，能量比金属电子高出约 。进入金属之后,在金属中碰撞以给出多余能量之前，由于它们的等效温度高于金属中电子，因而把这些电子看成热的。,肖特基势垒二极管有时称热载流子二极管。这些载流子在很短的时间内就会和金属电子达到平衡,，时间一般小于,.,4.4 肖特基势垒二极管电流电压特性,一、空间电荷区中载流子浓度的变化,非简并情况，导带电子浓度和价带空穴浓度,（,4-14,）,半导体内热平衡时内部载流子浓度,（,4-15,）,4.4 肖特基势垒二极管电流电压特性,表面空间电荷区内，本征费米能级,空间电荷区中载流子浓度,半导体与金属界面处,（,4-16,）,（,4-17,）,（,4-1,8）,取半导体内为电势零点，则表面势,（,4-20,）,（,4-19,）,4.4肖特基势垒二极管电流电压特性,（,4-21,）,（,4-22,）,外加电压时,（,4-23,）,二、电流电压特性,李查德,-,杜师曼（,Richardson-,dushman,）,方程,（,4-20,）,4.4 肖特基势垒二极管电流电压特性,单位时间入射到单位面积上的电子数即进入金属电子数,电子从半导体越过势垒向金属发射所形成的电流密度,同时电子从金属向半导体中发射的电流密度,（,4-24,）,（,4-25,）,热电子平均热运动速度,为电子有效质量,4.4 肖特基势垒二极管电流电压特性,总电流密度,导带有效状态密度,热电子发射理论的电流,电压关系,（,4-27,）,（,4-26,）,（,4-28,）,4.4 肖特基势垒二极管电流电压特性,有效里查森常数,电子向真空中发射时的里查森常数，用半导体电子的有效质量代替自由电子质量而得到。,单位为,，数值依赖于有效质量，,N,型硅和,P,型硅，分别为110和32；,N,型和,P,型 ，分别为8和74。,（,4-29,）,（,4-30,）,4.4 肖特基势垒二极管电流电压特性,反向偏压，将（4-24）式中的 换成 即可得到反向偏压下的电流,电压关系。,正反两种偏压下的电流,电压关系可以统一式,n,称为理想化因子，它是由非理想效应引起。对于理想的肖特基势垒二极管，,两种肖特基二极管的实验电流,电压特性示于图4-7。,（,4-31,）,（,4-32,）,4.4肖特基势垒二极管电流电压特性,图4.,7,和 肖脱基二极管正向电流密度与电压的对应关系,4.4 肖特基势垒二极管电流电压特性,正向 曲线延伸至 ，可以求出参数 ，可以用它和（4-28,),式一起来求出势垒高度。,理想化因子可由半对数曲线的斜率计算出来。对于,Si,二极管得到 ， 二极管,n=1.04,。,（4-27）式较好地适于,和 等常用半导体材料作成的肖特基势垒。,以上分析说明，肖特基势垒电流基本上是由多子传导的，是一种,多子器件,。,4.4肖特基势垒二极管电流电压特性,值得指出，据（4-28），反向电流应为常数，这与实验数据出现偏差。原因之一镜像力作用。把 换成 ，则饱和电流改为,实验发现，用上述方程来描述肖特基势垒二极管的电流电压特性更为精确，特别是对,反向偏压,情况的描述。,（4-33）,4.4肖特基势垒二极管电流电压特性,三、少数载流子电流,空穴从金属注入到半导体中形成电流。这个电流实际上是半导体价带顶附近的电子流向金属费米能级以下的空状态而形成的。,（,4-34,）,（,4-35,）,硅这样的共价键半导体中 要比 小的多，结果是热电子发射电流通常远远大于少数载流子电流,.,4.4 肖特基势垒二极管电流电压特性,例,：一个肖特基势垒二极管， ，计算势垒高度和耗尽层宽度。比较多数载流子电流和少数载流子电流,.,解：图4-7得,4.4 肖特基势垒二极管电流电压特性,4.4,肖特基势垒二极管电流电压特性,小结,1.,表面空间电荷区内载流子浓度表达式和半导体表面载流子浓度表达式,（,4-17,）,（,4-19,）,（,4-18,）,（,4-20,）,4.4肖特基势垒二极管电流电压特性,小结,2.,根据气体动力论给出了从半导体进入金属的电子流密度,3.,电流电压特性,李查德杜师曼（,Richardson-,dushman,）,方程,4.,金属进入到半导体的少子空穴扩散电流可以忽略。,（,4-32,）,（,4-31,）,4.4 肖特基势垒二极管电流电压特性,教学要求,掌握概念：表面势、热电子、热载流子二极管、里查森常数、有效里查森常数,导出表面空间电荷区内载流子浓度表达式和半导体表面载流子浓度表达式,导出电流电压特性李查德杜师曼（,Richardson-,dushman,）,方程,结合例题，比较少子空穴电流与多子电流。,作业：4.5、4.6、4.7、4.10,4.5 肖特基势垒二极管结构,第四章,金属,-,半导体结,4.5 肖特基势垒二极管结构,图,4-8,实用的肖特基二极管结构：,（,a,）,简单接触，（,b,）,采用金属搭接，（,C,）,采用保护环二极管。,4.5 肖特基势垒二极管结构,图,4-8,肖特基二极管结构,（,a）,简单接触,N,+,Si,衬底, N,型外延薄膜,清洁处理氧化,光刻开窗口,真空系统中蒸发或贱射以淀积金属,光刻金属图形,.,由于陡峭的边沿及,Si-SiO2,界面存在正的固定电荷,使这种,简单结构不能提供良好的肖特基势垒特性,这些因素使得在靠近周边的半导体耗尽区建立强电场，导致在拐角处有过量的电流这重,拐角效应,除了产生,软的反向特性和低击穿电压,外，还造成,低劣的噪声特性,4.5 肖特基势垒二极管结构,图,4-8,肖特基二极管结构,（,b）,采用金属搭接,使金属搭接在氧化层上可消除周边效应这时,电容下边的耗尽区得到修整,引起软击穿的陡沿被消除,.,搭接区应当很小,不然附加的电容会降低二极管高频特性,.,4.5 肖特基势垒二极管结构,图,4-8,实用的肖特基二极管结构,（,C）,采用保护环二极管,为了得到理想的电流电压特性,采用附加的,P,+,扩散环,来降低边缘效应,.,由于搭接结构较为简单,通常在集成电路中采用它更为合适,.,4.6 金属,-,绝缘体,-,半导体肖特基二极管,第四章,金属,-,半导体结,4.6,金属,-,绝缘体,-,半导体肖特基二极管,图,4-9,MIS,结构的能带图,实际中,当金属被蒸发到化学制备的硅,表面时,在金属和半导体之间的界面上总有一层氧化层,氧化层很薄,一般为,0.5,到,1.5nm.,在热平衡时,有一个电位降跨越在氧化层上,使得势垒高度被改变,.,4.6 金属,-,绝缘体,-,半导体肖特基二极管,传导电流是由载流子隧道穿透氧化层所形成,从导带边缘算起的平均势垒高度，单位电子伏特。,氧化层厚度，单位埃。 乘积无量纲，,一般情况，若外加电压不变，,薄氧化层,只减少多数载流子电流，但不降低少数载流子电流。这导致少数载流子电流与多数载流子电流的比率的增长。结果,增加少数载流子的注入比,，这有利于改善诸如太阳电池和发光二极,管等器件,的性能。,（,4-36,）,4.7 肖特基势垒二极管和,P-N,结二极管之间的比较,第四章,金属,-,半导体结,4.7 肖特基势垒二极管和,P-N,结二极管之间的比较,肖特基势垒二极管是,多子器件,P-N,结二极管是,少子器件,（1）在肖特基势垒中，由于,没有少数载流子贮存,，因此肖特基势垒二极管适于高频和快速开关的应用。,（2）肖特基势垒上,正向电压降,要比,P-N,结上,低,得多。低导通电压使肖特基二极管对于钳位和限辐的应用具有吸引力。,（3）,肖特基势垒的,温度特性,优于,P-N,结,。,（4）,噪声特性,优于,P-N,结。,（,5,）肖特基势垒二极管制造,工艺简单,。,4.7 肖特基势垒二极管和,P-N,结二极管之间的比较,4.7 肖特基势垒二极管和,P-N,结二极管之间的比较,4.7 肖特基势垒二极管和,P-N,结二极管之间的比较,小结,肖特基势垒二极管是多子器件，与,P-N,结二极管相比具有高频、高速，低接通电压，低温度系数和低噪声的特点,肖特基势垒二极管制造工艺比,P-N,结二极管制造工艺简单得多。,4.7 肖特基势垒二极管和,P-N,结二极管之间的比较,教学要求,了解与结型二极管相比肖特基势垒二极管的主要特点。,作业4.10,4.8 肖特基势垒二极管的应用,第四章,金属,-,半导体结,4.8 肖特基势垒二极管的应用,一、,肖特基势垒检波器或混频器,肖特基二极管的等效电路,结电容,C,d,串联电阻,r,s,二极管结电阻,（扩散电阻）,有效的检波器或混频器要求射频功率为二极管结电阻所吸收,且在串联电阻上功率耗散要小,.,4.8 肖特基势垒二极管的应用,一、,肖特基势垒检波器或混频器,串联电阻功率耗散和在结上相等,截止频率,高频运用， 、 和 都应很小。如果半导体具有高杂质浓度和高迁移率，能够实现小的 。采用 材料，工作频率接近,是有可能的。,（,4-39,）,4.8 肖特基势垒二极管的应用,二、肖特基势垒钳位晶体管,4.8 肖特基势垒二极管的应用,肖特基势垒钳位晶体管,开关晶体管饱和时，集电结正向偏置约0.5,V。,若肖特基二极管上的正向压降（一般为0.3,V）,低于晶体管基极,集电极的开态电压，则大部分过量基极电流流过二极管，该二极管没有少数载流子贮存效应。因此，与单独的晶体管相比较，合成器件的贮存时间得到显著的降低。测得的贮存时间可以低于1,ns。,4.8 肖特基势垒二极管的应用,肖特基势垒钳位晶体管,肖特基势垒,钳,位晶体管是按示于图4-13,b,的结构以集成电路的形式实现的。,铝在轻掺杂的,N,型集电区上能形成极好的肖特基势垒，并同时在重掺杂的,P,型基区上面形成优良的欧姆接触。这两种接触可以只通过一步金属化作成，无需额外的工艺。,4.8 肖特基势垒二极管的应用 小结,肖特基势垒二极管等效电路。,由于肖特基势垒二极管具有高频、高速优点，它们被应用于肖特基势垒检波器或混频器和肖特基势垒钳位晶体管。,3.,肖特基势垒检波器的截止频率定义：随频率升高在 上的功率耗散将增加，当在 上功率耗散和在结上的相等时频率定义为截止频率。,4.,肖特基势垒钳位晶体管的电路图、集成结构示意图。,5.,肖特基势垒钳位晶体管的工作原理。,4.8 肖特基势垒二极管的应用,教学要求,画肖特基势垒二极管等效电路，各参数所代表的意义。,画出肖特基势垒钳位晶体管的电路图和集成结构示意图。,说明肖特基势垒钳位晶体管的工作原理。,作业：4.11,4.9 欧姆接触：非整流,M-S,结,第四章,金属,-,半导体结,在所使用结构上不会添加较大寄生阻抗，且不足以改变半导体内的平衡载流子浓度使器件特性受到影响。,4.9 欧姆接触：非整流的,M-S,结,欧姆接触,考虑 的金属和,N,型半导体。接触之前和接触后的能带图。,图,4-14,金属和,N,型半导体的接触能带图：（,a）,接触之前（,b）,接触后处于平衡态,4.9 欧姆接触：非整流的,M-S,结,欧姆接触,图,4-14,（,c）,在半导体一边加上负电压，（,d）,在半导体一边加上正电压,可以看出在结处几乎不存在势垒，因此载流子可以自由地通过任一方向，这种,M-S,结是非整流,.,4.9 欧姆接触：非整流的,M-S,结,金属,P,型半导体,：欧姆结,：整流结,金属,N,型半导体,：整流结,：欧姆结,金属和重掺杂半导体之间形成欧姆接触,载流子可以隧道穿透而不是越过势垒,欧姆接触,4.9 欧姆接触：非整流的,M-S,结,图,4-15,金属在 半导体上的接触的能带图和电流,电压曲线,欧姆接触,4.9 欧姆接触：非整流,M-S,结,小结,根据能带图,理想的,金属,-,P,型半导体,：欧姆结,：整流结,理想的,金属,-,N,型半导体,：整流结,：欧姆结,由于表面态存在,金属和半导体欧姆接触只是理想情况。,一种实际可行的方法是使用金属和重掺杂半导体来形成欧姆接触。金属和重掺杂半导体之间形成欧姆接触的物理机制是载流子可以隧道穿透而不是越过势,.,4.9欧姆接触：非整流的,M-S,结,教学要求,画出能带图说明,金属,-,P,型半导体：,：欧姆结,：整流结,金属,-,N,型半导体：,：整流结,：欧姆结,画能带图说明金属和重掺杂半导体之间形成欧姆接触。,