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1、第四章 金属-半导体结肖特基势垒 界面态对势垒高度的影响 镜像力对势垒高度的影响 肖特基势垒二极管的电流-电压特性 肖特基势垒二极管的结构 金属-绝缘体-半导体肖特基势垒二极管 肖特基势垒二极管和PN结二极管之间的比较 肖特基势垒二极管的应用 欧姆接触金属-半导体结引言 金属-半导体结器件是应用于电子学的最古老的固态器件。 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 上蒸镀大面积的金属薄膜都可以实现金属-半导体结，前者称为点接触，后 者则相对地叫做面接触。 金属-半导体接触出现两个最重要的效应：其一是
2、整流效应，其二是欧姆效 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。 1874年布朗（Brawn）就提出了金属与硫化铅晶体接触间具有不对称的导 电特性。 1906年皮卡德（Pickard）获得了硅点接触整流器专利。金属-半导体结引言 1938年肖特基和莫特（Mott）各自独立提出电子以漂移和扩散的方式解 释势垒的观点。 十九世纪二十年代出现了钨-硫化铅点接触整流器和氧化亚铜整流器。 同年，塔姆（Tamm）提出表面态的概念。 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
3、垒的概念解释了M -S接触的整流效应。 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。金属-半导体结引言 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。这种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。 由于点接触二极管的重复性很差，50年代，在大多数情况下它们已由PN结 二极管所代替。 到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。 1947年巴丁（Bardein）提出巴丁势垒模型金属
4、-半导体结4.1肖特基势垒4.1.1 肖特基势垒的形成考虑金属与N-半导体半导体功函数金属的功函数半导体的电子亲和势假设半导体表面没有表面态，接触是理想的，半导体能带直到表面都是平直的。自建电势差对于金属流向半导体的电子，势垒高度或其中：金属-半导体结4.1肖特基势垒4.1.2 加偏压的肖特基势垒 正偏压：在半导体上相对于金属加一负电压半导体-金属之间的电势差减少为 ， 变成 反偏压：正电压 加于半导体上势垒被提高到金属-半导体结4.1肖特基势垒4.1.2 加偏压的肖特基势垒 根据加偏压的的肖特基势垒能带图与单边突变PN结，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
5、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。 由于金属可容纳大量的电子，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。金属-半导体结4.1肖特基势垒4.1.2 加偏压的肖特基势垒对于均匀掺杂的半导体，类似于P+N结，在空间电荷区解Poisson方程 可得空间电荷区宽度： （4-5）结电容：或 ：金属-半导体结4.1肖特基势垒4.1.2 加偏压的肖特基势垒与PN结情形一样，可以给出 与 的关系曲线以得到直线关系。从中可 以计算出自建电势和半导体的掺杂浓度图4-3 钨硅和钨
6、砷化镓的二极管1/C2与外加电压的对应关系 金属-半导体结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 ，写成金属-半导体结4.1肖特基势垒 学习要求 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 了解公式（4-6）（4-1） （4-3）（4-5）（4-7） 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 由 与 的关系曲线求出自建电势和半导体的掺杂情况金属-半导体结当 以下的状态空着时( )，表面荷正电，类似于施主的作用。4.2界面态对势垒高度的影响一、界面态的概念 在实际的
7、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。 二、界面态的特点 界面态通常按能量连续分布，并可用一中性能级 表征。当 以上的状态被占据时( )，表面荷负电，类似于受主的作用。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。在实际的接触中，界面态的净电荷为正，类似于施主。如果被占据的界面态高达 ，而 以上空着，( )则净表面电荷 为零,这时的表面为电中性。金属-半导体结4.2界面态对势垒高度的影响三、界面态的影响图4-4 被表面态钳制的费米能级金属-半导体结4.2界面态对势垒
8、高度的影响三、界面态的影响结果是，自建电势被显著降低如图（4-4a），并且，根据式（4-3）， 势垒高度 也被降低。从图4-4（a）看到，更小的 使 更接近 。与此类似，若 ，则在界面态中有负电荷，并使 增加，还 是使 和 接近（图4-4b）。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。在大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。由实验观测到的势垒高度列于表4-1中。发现大多数半 导体的能量
9、在离开价带边 附近。 金属-半导体结4.2界面态对势垒高度的影响三、界面态的影响表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）（4-8） （4-9） 镜象力引起的电子电势能为据库仑定律，镜像力为其中边界条件取为: 时， ；和 时， 。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）将原来的理想肖特基势垒近似地看成是线性的，因而界面附近的导带底 势能曲线写做（4-10） 其中 为表面附近的电场，等于势垒区最大电场（包括内建电场和偏压 电场）。总势能为可见原来的理想肖特
10、基势垒的电子能量在 处下降，也就是说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。金属-半导体结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 设势垒高度降低的位置发生在 处，势垒高度降低值为 。 令 ，由（4-11）式得到（4-12） 金属-半导体结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 由于故（4-13） 大电场下，肖特基势垒被镜像力降低很多。金属-半导体结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 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。所以在测量势垒高度时，如果测量方法与电子
11、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（例如电容方法），则测量结果不受镜像力影响。金属-半导体结4.3镜像力对势垒高度的影响三、空穴镜像力 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，如图4-6所示，但它不象导带底那样有极值，结果使接触处的能带变窄。金属-半导体结4.3镜像力对势垒高度的影响 学习要求 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4.5c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。金属-半导体结4.4肖特基势垒二极管的电流-电压特性热电子和热载流子二极管：当电子
12、来到势垒顶上向金属发射时，它们的能量比金属电子高出约 。 进入金属之后它们在金属中碰撞以给出这份多余的能量之前，由于它们的 等效温度高于金属中的电子，因而把这些电子看成是热的。由于这个缘故 ，肖特基势垒二极管有时被称为热载流子二极管。这些载流子在很短的时 间内就会和金属电子达到平衡，这个时间一般情况小于 。金属-半导体结4.4肖特基势垒二极管的电流-电压特性一、空间电荷区中载流子浓度的变化 对于非简并化情况，导带电子浓度和价带空穴浓度为（4-14） （4-15） 设半导体内本征费米能级为 ，热平衡时半导体内部的载流子浓度为表面空间电荷区内，本征费米能级为（4-16） 金属-半导体结4.4肖特基
13、势垒二极管的电流-电压特性一、空间电荷区中载流子浓度的变化 则空间电荷区中载流子浓度为（4-17） （4-18）在半导体与金属界面处（4-19） （4-20） 称为表面势。取半导体内为电势零点，则表面势金属-半导体结4.4肖特基势垒二极管的电流-电压特性二、电流电压特性(理查森杜师曼（Richardson-dushman）方程)在 M-S 界面（4-21） （4-22） （4-23） 即当有外加电压 V 时 金属-半导体结4.4肖特基势垒二极管的电流-电压特性二、电流电压特性(理查森杜师曼（Richardson-dushman）方程)由气体动力论，单位时间入射到单位面积上的电子数即进入金属的电
14、子数为式中（4-24） 为热电子的平均热运动速度， 为电子有效质量。（4-25） 于是电子从半导体越过势垒向金属发射所形成的电流密度为与此同时电子从金属向半导体中发射的电流密度为金属-半导体结4.4肖特基势垒二极管的电流-电压特性二、电流电压特性(理查森杜师曼（Richardson-dushman）方程)总电流密度为（4-27） （4-26） 导带有效状态密度为 ，代入 、 ，得到热电子 发射理论的电流电压关系金属-半导体结4.4肖特基势垒二极管的电流-电压特性二、电流电压特性(理查森杜师曼（Richardson-dushman）方程)其中（4-28） （4-29） （4-30） 的单位为 ，
15、其数值依赖于有效质量，对于N型硅和P型硅，分别为110和32；对于N型和P型GaAs，分别为8和74。称为有效理查森常数，它是在电子向真空中发射时的里查森常数中，用半导体 电子的有效质量代替自由电子质量而得到的。代入有关常数，最后得到金属-半导体结4.4肖特基势垒二极管的电流-电压特性二、电流电压特性(理查森杜师曼（Richardson-dushman）方程)当肖特基势垒被施加反向偏压 时，将（4-24）式中的 换成 即 可得到反向偏压下M-S的电流电压关系。于是，金属半导体结在正反两 种偏压下的电流电压关系可以统一用下式表示（4-31） （4-32） 称为理想化因子，它是由非理想效应引起的。对于理想的肖特基势垒 二极管，两种肖特基二极管的实验 特性示于图4-7中。金属-半导体结4.4肖特基势垒二极管的电流-电压特性二、电流电压特性(理查森杜师曼（Richardson-dushman）方程)图图4.7 和 肖特基二极管正向电电流密度与电压电压 的对应对应 关系金属-半导体结4.4肖特基势垒二极管的电流-电压特性二、电流电压特性(理查森杜师曼（Rich
