《《半导体理器件物》PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《半导体理器件物》PPT课件（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章第四章 金属金属- -半导体结半导体结肖特基势垒肖特基势垒界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响镜像力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结构肖特基势垒二极管的结构肖特基势垒二极管的电流肖特基势垒二极管的电流- -电压特性电压特性金属金属- -绝缘体绝缘体- -半导体肖特基势垒二极管半导体肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管和肖特基势垒二极管和PNPN结二极管之间的比较结二极管之间的比较肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用欧姆接触欧姆接触金属金属- -半半导体体结引言引言金属金属- -半导体结器件是应用于电子学的最古老的半导体结器件是应用于电子学的最古老的固
2、态器件固态器件。金属金属半导体形成的冶金学接触叫做半导体形成的冶金学接触叫做金属金属- -半导体结（半导体结（M-SM-S结）结）或或金属金属- -半导体接触半导体接触。把须状的金属触针压在半导体晶体上或者。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金属- -半导体结，前者称为半导体结，前者称为点接触点接触，后者则相对地叫做，后者则相对地叫做面接触面接触。金属金属- -半导体接触出现半导体接触出现两个最重要的效应两个最重要的效应：其一是：其一是整流效应整流效应，其二是其二是欧姆效应欧姆效应
3、。前者称为。前者称为整流接触整流接触，又叫做，又叫做整流结整流结。后者。后者称为称为欧姆接触欧姆接触，又叫做，又叫做非整流结非整流结。18741874年布朗（年布朗（BrawnBrawn）就提出了金属与硫化铅晶体接触间）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。具有不对称的导电特性。19061906年皮卡德（年皮卡德（PickardPickard）获得了硅点接触整流器专利。）获得了硅点接触整流器专利。金属金属- -半半导体体结引言引言19381938年肖特基和莫特（年肖特基和莫特（MottMott）各自独立提出）各自独立提出电子以漂移和扩电子以漂移和扩散的方式解释势垒的观点。散的方式
4、解释势垒的观点。1919世纪世纪2020年代出现了钨年代出现了钨- -硫化铅点接触整流器和氧化亚铜整流器。硫化铅点接触整流器和氧化亚铜整流器。同年，塔姆（同年，塔姆（TammTamm）提出）提出表面态表面态的概念。的概念。19311931年肖特基年肖特基(Schottky)(Schottky)等人提出等人提出M-SM-S接触处存在某种接触处存在某种“势垒势垒”的想法。的想法。19321932年威尔逊（年威尔逊（WilsonWilson）等用量子理论的隧道效应和势垒的）等用量子理论的隧道效应和势垒的概念解释了概念解释了M-SM-S接触的整流效应接触的整流效应。19071907年皮尔斯（年皮尔斯（
5、PiercePierce）提出，在各种半导体上溅射金属可）提出，在各种半导体上溅射金属可以制成整流二极管。以制成整流二极管。金属金属- -半半导体体结引言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，由于点接触二极管的重复性很差，5050
6、年代，在大多数情况下年代，在大多数情况下它们已由它们已由PNPN结二极管所代替。结二极管所代替。到到7070年代，采用新的半导体平面工艺和真空工艺来制造具有年代，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重复性的金属- -半导体接触，使金属半导体接触，使金属- -半导体结器件获得迅速的半导体结器件获得迅速的发展和应用。发展和应用。19471947年巴丁（年巴丁（BardeinBardein）提出巴丁势垒模型）提出巴丁势垒模型金属金属- -半半导体体结肖特基势垒肖特基势垒 肖特基势垒的形成肖特基势垒的形成考虑金属与考虑金属与N-N-半导体半导体半导体功函数半导体功函数金属的功函数金属
7、的功函数电子亲和势电子亲和势( (真空能级和导带底之差）真空能级和导带底之差）假设半导体表面没有表面态，接触是理想的，半导体能带直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。到表面都是平直的。自建电势差自建电势差肖特基势垒高度肖特基势垒高度或或其中其中：金属金属- -半半导体体结肖特基势垒肖特基势垒 加偏压的肖特基势垒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正偏压：在半导体上相对于金属加一负电压半导体半导体- -金属之间的电势差减少为金属之间的电势差减少为 ， 变成变成反偏压：正电压反偏压：正电压 加于半导体上加于半导体上势垒被提高到势垒被提高到金属金
8、属- -半半导体体结肖特基势垒肖特基势垒 加偏压的肖特基势垒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根据加偏压的的肖特基势垒能带图与单边突变PNPN结，正偏压下结，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。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。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。这说明这说明肖特基势垒具有单向导电性即整流特性肖特基势垒具有单向导电性即整
9、流特性。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的肖特基势垒能带图中 几乎不变。几乎不变。金属金属- -半半导体体结肖特基势垒肖特基势垒 加偏压的肖特基势垒加偏压的肖特基势垒对于均匀掺杂的半导体，类似于对于均匀掺杂的半导体，类似于P P+ +N N结，在空间电荷区解结，在空间电荷区解PoissonPoisson方程可得空间电荷区宽度：方程可得空间电荷区宽度： （4-1-74-1-7）结电容结电容：或或：金属金属- -半半导体体结肖特基势垒肖特基势垒 加偏压的肖特基势垒加偏压的肖特基势垒与与PNPN结情形一样
10、，可以给出结情形一样，可以给出 与与 的关系曲线以得到直线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关系。从中可以计算出自建电势和半导体的掺杂浓度图图4-3 钨钨 硅和钨硅和钨 砷化镓的二极管砷化镓的二极管1/C2与外加电压的对应关系与外加电压的对应关系 金属金属- -半半导体体结肖特基势垒肖特基势垒例：从图例：从图4-34-3计算硅肖特基二极管施主浓度、自建电势、势垒高度。计算硅肖特基二极管施主浓度、自建电势、势垒高度。解：解：利用（利用（4-4-1-91-9）式）式 ，写成，写成金属金属- -半半导体体结肖特基势垒肖特基势垒 学习要求学习要求了解金属了解金属半导体接
11、触出现两个最重要的效应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画出热平衡情况下的肖特基势垒能带图掌握公式掌握公式（4-1-64-1-6）（4-1-14-1-1） （4-1-34-1-3）（4-1-54-1-5）（4-1-74-1-7）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势垒二极管的整流特性由由 与与 的关系曲线求出自建电势和半导体的掺杂情况的关系曲线求出自建电势和半导体的掺杂情况金属金属- -半半导体体结界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响一、一、界面态的概念界面态的概念在
12、实际的肖特基二极管中，在界面处晶格的断裂产生大量能在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。量状态，称为界面态或表面态，位于禁带内。二、二、界面态的特点界面态的特点界面态通常按能量连续分布，并可用一中性能级界面态通常按能量连续分布，并可用一中性能级 表征。表征。如果被占据的界面态高达如果被占据的界面态高达 ，而，而 以上空着，则这时的表以上空着，则这时的表面为电中性面为电中性。当当 以下的状态空着时，表面荷正电，类似于施主的作用。以下的状态空着时，表面荷正电，类似于施主的作用。当当 以上的状态被占据时，表面荷负电，类似于受主的作用。以上的状态被
13、占据时，表面荷负电，类似于受主的作用。若若 与费米能级对准，则净表面电荷为零。与费米能级对准，则净表面电荷为零。在实际的接触中，在实际的接触中， 时，界面态的净电荷为正，类似于施主。时，界面态的净电荷为正，类似于施主。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。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。金属金属- -半半导体体结界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响三、三、界面态的影响界面态的影响图图4-4 4-4 被表面态钳
14、制的费米能级被表面态钳制的费米能级金属金属- -半半导体体结界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响三、三、界面态的影响界面态的影响结果是，自建电势被显著降低如图（结果是，自建电势被显著降低如图（4-4a4-4a），并且，根据式（），并且，根据式（4-1-34-1-3），），势垒高度势垒高度 也被降低。从图也被降低。从图4-44-4（a a）看到，更小的）看到，更小的 使使 更接近更接近 。与此类似，若。与此类似，若 ，则在界面态中有负电荷，并使，则在界面态中有负电荷，并使 增加，还增加，还是使是使 和和 接近（图接近（图4-4b4-4b）。因此，界面态的电荷具有负反馈效应，）。因此，界面
15、态的电荷具有负反馈效应，它趋向于使它趋向于使 和和 接近。若界面态密度很大，接近。若界面态密度很大， 则费米能级实际上则费米能级实际上被钳位在被钳位在 （称为费米能级钉扎效应），而（称为费米能级钉扎效应），而 变成与金属和半导体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掺杂度无关。由实验观测到的势垒高度列于表4-14-1中。发现大多数半导中。发
16、现大多数半导体的能量体的能量 在离开价带边在离开价带边 附近。附近。 金属金属- -半半导体体结界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响三、三、界面态的影响界面态的影响表表4-1 4-1 以电子伏特为单位的以电子伏特为单位的N N型半导体上的肖特基势垒高度型半导体上的肖特基势垒高度金属金属- -半半导体体结镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响一、一、镜像力降低肖特基势垒高度（肖特基效应）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镜象力引起的电子电势能为据库仑定律，镜像力为据库仑定律，镜像力为其中边界条件取为其中边界条件取为: : 时，时， ；和和 时，时， 。金属金属- -半半导体体结镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响一、一、镜像力降低肖特基势垒高度（肖特基效应）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为近的导带底势能曲线为（4-3-3） 其中其中 为表面附近的电场，等于势垒区最大电场（包括内建为表面附
