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1、高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结1高等半导体物理高等半导体物理 与器件与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结2 肖特基势垒二极管 金属-半导体的欧姆接触 异质结本章内容本章内容高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结39.1 9.1 肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 异质结：两种不同材料组成的结。 金属-半导体接触 欧姆接触：接触电阻很低，结两边都能形成电流 整流接触：肖特基二极管，多发生在金属-n型半导体接触 肖特基二极管电流主要取决于多数载流子流动 。高等半导体物理与器件第九章
2、 金属半导体和半导体异质结4（1 1）性质上的特征）性质上的特征 真空能级作为参考能级。 金属功函数m，半导体功函数s；e为费米能级和真空能级 之差。此处，ms。 电子亲和能。e是半导体导带底与真空能级的差值。高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结5当金属与半导体紧密接触时，两种不同材料的费米能级在热平 衡时应相同，此外，真空能级也必须连续。这两项要求决定了 理想的金半接触独特的能带图，如图所示。 理想势垒高度 B0（肖特基势垒）： 半导体一侧，形成内建电势差Vbi： 类似pn结中情况，为半导体掺杂浓度的函数高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结6 图(a)为零偏情
3、况下金属-n型半导体接触能带图。热平衡，两种材料间具有相同的费米能级。 图(b)为正偏情况（金属上施以相对 于n型半导体为正的电压），半导 体到金属的势垒高度将降低Va，使电子变得更易从半导体进入金属， 正偏电流方向从金属流向半导体。 图(c)为反偏情况，将使势垒提高了 VR。因此，对电子而言，将变得更难从半导体进入金属中。 B0保持不变。xnxnxn高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结7（2 2）理想结的特性）理想结的特性处理pn结相同方法来确定异质结静电特性空间电荷区的电场用泊松方程表示为：假设半导体均匀掺杂，则：C1是积分常数。由于半导体空间电荷区边界电场强度E(xn)=
4、0：均匀掺杂半导体，场强是线性函数，金属与半导体接触处，场 强达到最大值。由于金属中场强为零，因此在金属-半导体结的金属区中存在表面负电荷。高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结8与pn结计算方法相同W，结果与p+n结相同，均匀掺杂半导体：VR是所加反偏电压。运用突变结近似。结电容的结果与p+n结也是相同：砷化镓肖特基二极管Vbi比硅二极管的大高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结9（3 3）影响肖特基势垒高度的非理想因素）影响肖特基势垒高度的非理想因素第一种因素是肖特基效应，即势垒的镜像力降低效应 。 电介质中距离金属x处的电子能够形成电场，电场线与金属表面必须垂
5、直，与一个距金属表面同样距离（金属内部）的假 想正电荷（+e）形成的电场相同，这种假想的影响如下图所示。 对电子的作用力取决于假想电荷的库仑引力 电势的表达式为高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结10 电子的电势能为-e(x)；图（b）是假设不存在其他电场时的电势能曲线。电介质中存在电场时，电势表达式修正为 恒定电场影响下，电子的电势能曲线如图（c）所示。由图可见势垒的峰值减小了，这种势垒减小的现象就是肖特基 效应。高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结11 肖特基势垒减小，最大势垒对应的xm可由下式求得 得出界面态界面态则 右图为GaAs和Si的肖特基二极管的势
6、垒高度与金属功函数的关系 。 曲线与理想势垒公式不相符。 金属-半导体的势垒高度由金属功函数及半导体表面和接触面的状 态共同决定。高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结12 假定金属与半导体之间存在 一条窄的绝缘层，形成电势 差，但电子在金属与半导体 间可自由流动。 金属与半导体的接触表面， 半导体呈现出表面态分布。热平衡下，金属-半导体结的能带图及表面态 假定表面势0以下的状态是施主态，如表面出现电子，则将其 中和，如没电子，则呈现正电荷；以上的是受主态，如没电子 ，则将其中和，如有电子，则呈现负电性。 图中0以上EF以下的一些受主状态，表面态密度Dit态/cm2eV，则表面势
7、、表面态密度及其他半导体参数的关系如下：高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结13情况1： Dit 关系式化简为 势垒高度由禁带宽度和0决定。势垒高度全部与金属功函数 和半导体电子亲和能无关，费米能级固定为表面势0。情况2：Dit0 关系式化简为即原始的理想表达式。 在半导体中，由于势垒降低的影响，肖特基势垒高度是电场 强度的函数。同时势垒高度也是表面态的函数，由于表面态 无法预知，所以势垒高度是一个实验值。高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结14（4 4）电流）电流- -电压关系电压关系 pn结电流：少数载流子决定 金属半导体结中的电流：多数载流子决定 n型半导
8、体整流接触的基本过程：电子运动通过势垒，热电子发射理论。 热电子发射理论假设：势垒高度远大于kT，玻尔兹曼近似，热平衡不被打破。高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结15正偏时，跨越势垒的静电势差降低，因此表面电子浓度增加； 而由金属流向半导体的电子流量维持不变。高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结16在半导体表面的电子若是具有比势垒高度更高的能量，便可以通过 热电子发射而进入金属中。规定金属到半导体的方向为正方向。则有Ec是电子能够发射到金属中时所需的最小能量，vx是载流子沿输运 方向的速度。电子浓度增量dn可表示为：Ec以上的能量被视为动能，则则金属-半导体结
9、中的净电流密度为高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结17其中Bn是实际肖特基势垒高度，A*是热电子发射的有效理查德森常数。上式改写为JsT是反向饱和电流密度，表示为Bn的变化是由镜像力降低引起的。由 Bn=B0-，上式可写为反向电流随着反偏电压的增加 而增大是由于势垒降低的影响 。肖特 基势 垒二 极管 加反 偏电 压时 的典 型I- V曲 线高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结18 理想肖特基二极管的I-V关系形式上与pn结二极管的相同：（5 5）肖特基势垒二极管与）肖特基势垒二极管与pnpn结二极管的比较结二极管的比较 两者间有两点重要区别：第一是反向饱和电
10、流密度的数量级。两种器件的输运机制不同：肖特基二极管-多子通过热电子发射 跃过内建电势差，pn结二极管-少子扩散运动。肖特基二极管的理想反向饱和电流值比pn结大好几个数量级。肖特基二极管的有效开启电压低于pn结二极管。高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结19 右图为肖特基二极管和pn结二极 管的正偏I-V特性曲线比较。 肖特基二极管的有效开启电压低于 pn结二极管的有效开启电压。 主要原因是金半接触和pn结中的掺杂具有不同的势垒高度函数，但 还存在着其他主要的不同。 肖特基二极管与pn结二极管的第二个主要不相同点：频率响应，即开关特性。 肖特基二极管是多子导电器件，其正偏时不产
11、生扩散电容 高频器件；正偏转向反偏时，也不存在少子的存储效应 快速开关器件。高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结209.2 9.2 金属金属- -半导体的欧姆接触半导体的欧姆接触 欧姆接触 接触电阻很低 在金属和半导体两边都能形成电流 形成的电流是电压的线性函数，电压要低 两种常见欧姆接触： 非整流接触 隧道效应形成高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结21（1 1）理想非整流接触势垒）理想非整流接触势垒 ms，金属与p型半导体结欧姆接触接 触 前接 触 前接 触 后接 触 后热 平 衡热 平 衡考虑表面态影响，无法 形成良好的欧姆接触高等半导体物理与器件第九章
12、金属半导体和半导体异质结22（2 2）隧道效应）隧道效应 金属-半导体接触的空间电荷宽度与半导体掺杂浓度的平方根成反比。 随着掺杂浓度增加，耗尽层宽度减小，隧道效应增 强；例9.7，重掺杂半导体耗尽层厚度数量级为埃，隧道电流是结中的主要电流。 隧道电流为：其中高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结23（3 3）比接触电阻）比接触电阻 欧姆电阻的优势在于接触处电阻RC，定义：在零偏压时，电流密度对电压求导的倒数，即 对于由较低半导体掺杂浓度形成的整流接触来说，电流-电压关系如下：结中的热发射电流起主要作用。此时，单位接触电阻为单位接触电阻随势垒高度的下降迅速减小。高等半导体物理与器
13、件第九章 金属半导体和半导体异质结24 对于具有高掺杂浓度的金属-半导体结来说，隧道效应起主要作用。则单位接触电阻为表明单位接触电阻是强烈依 赖于半导体掺杂浓度的函数 。 右图是Rc随半导体掺杂浓度变化的一系列理论值。 掺杂浓度约大于1019cm-3，隧道效应 占主导地位，Rc随Nd呈指数规律变化； 掺杂浓度较低时，Rc值由势垒高度决定，与掺杂浓度基本无关。 图中还绘出了实验数据。高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结259.3 9.3 异质结异质结（1 1）形成异质结的材料）形成异质结的材料 异质结由两种具有不同禁带宽度的材料组成。 结表面的能带是不连续的。 突变结：半导体由一
14、个窄禁带宽度材料突变到宽 禁带宽度材料形成的结。 为形成一有用的异质结，两种材料的晶格常数必 须匹配。高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结26（2 2）能带图）能带图 根据带隙能量的关系，异质结有3种可能：跨骑（ 图(a)）、交错（图(b)）、错层（图(c)）。 根据掺杂类型的不同，有4种基本类型的异质结： 反型异质结：掺杂类型变化，例nP结、Np结 同型异质结：掺杂类型相同，例nN结、pP结 其中，大写字母表示较宽带隙的材料窄带隙和宽带隙能量的关系: (a)跨骑；(b)交错；(c)错层高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结27真空能带与两个导带能级和价带能级平行
15、，真空能级连续。接触前能带高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结28热平衡状态下的一个 典型理想nP异质结高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结29（3 3）二维电子气）二维电子气nN异质结在热平衡状态下的理想能带图为达到热平衡，电子从宽带隙 材料流向窄带隙，在临近表面 的势阱处形成电子的堆积。电子在势阱中能量是量子化的 。二维电子气指电子在一个空间方向上（与界面垂直方向）有量子 化的能级，同时也可向其他 两个空间方向自由移动。图（a）为导带边缘靠近突变结 表面处的能带图（b）三角形势阱的近似形状高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结30平行于表面的电
16、流是电子浓度 和电子迁移率的函数。由于GaAs轻掺杂或本征，则二维电子气处于一低杂质浓度区 ，因为杂质散射效应达到最小 。同样区域，电子迁移率远大于 有电离施主杂质时的迁移率。平行于表面的电子运动受到 AlGaAs中电离杂质库仑力的 影响，采用AlGaAs-GaAs异质结时这种作用将大大减弱。将逐渐变化的本征AlGaAs夹 在N型AlGaAs和GaAs间。势阱中电子远离已电离杂质， 则电子迁移率较突变的异质结 中迁移率有很大提高。势阱中电子定态分布热平 衡下 缓变 结导 带边 缘高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结31Np异质结在热平衡时的能带图pP异质结在热平衡时的能带图高等半导体物理与器件第九章 金属半导体和半导体异质结32 轻掺杂半导体与金属可形成整流接 触肖特基二极管，能带图 理想肖特基二极管I-
