半導(dǎo)體物理與器件第九章課件

1、第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)0高等半導(dǎo)體物理與器件第九章 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)1肖特基勢(shì)壘二極管金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸異質(zhì)結(jié)本章內(nèi)容第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)29.1 肖特基勢(shì)壘二極管異質(zhì)結(jié)：兩種不同材料組成的結(jié)。金屬-半導(dǎo)體接觸歐姆接觸：接觸電阻很低，結(jié)兩邊都能形成電流整流接觸：肖特基二極管，多發(fā)生在金屬-n型半導(dǎo)體接觸肖特基二極管電流主要取決于多數(shù)載流子流動(dòng)。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)3（1）性質(zhì)上的特征真空能級(jí)作為參考能級(jí)。金屬功函數(shù)m，半導(dǎo)體功函數(shù)s；e為費(fèi)米能級(jí)和真空能級(jí)之差。此處，ms。電子親和能。e是半導(dǎo)體導(dǎo)帶底與真空能級(jí)的差值

2、。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)4當(dāng)金屬與半導(dǎo)體緊密接觸時(shí)，兩種不同材料的費(fèi)米能級(jí)在熱平衡時(shí)應(yīng)相同，此外，真空能級(jí)也必須連續(xù)。這兩項(xiàng)要求決定了理想的金半接觸獨(dú)特的能帶圖，如圖所示。 理想勢(shì)壘高度B0（肖特基勢(shì)壘）： 半導(dǎo)體一側(cè)，形成內(nèi)建電勢(shì)差Vbi： 類似pn結(jié)中情況，為半導(dǎo)體摻雜濃度的函數(shù)第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)5圖(a)為零偏情況下金屬-n型半導(dǎo)體接觸能帶圖。熱平衡，兩種材料間具有相同的費(fèi)米能級(jí)。圖(b)為正偏情況（金屬上施以相對(duì)于n型半導(dǎo)體為正的電壓），半導(dǎo)體到金屬的勢(shì)壘高度將降低Va，使電子變得更易從半導(dǎo)體進(jìn)入金屬，正偏電流方向從金屬流向半導(dǎo)體。圖(c)為反偏情況，將使勢(shì)壘提

3、高了VR。因此，對(duì)電子而言，將變得更難從半導(dǎo)體進(jìn)入金屬中。 B0保持不變。xnxnxn第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)6（2）理想結(jié)的特性處理pn結(jié)相同方法來確定異質(zhì)結(jié)靜電特性空間電荷區(qū)的電場(chǎng)用泊松方程表示為：假設(shè)半導(dǎo)體均勻摻雜，則：C1是積分常數(shù)。由于半導(dǎo)體空間電荷區(qū)邊界電場(chǎng)強(qiáng)度E(xn)=0：均勻摻雜半導(dǎo)體，場(chǎng)強(qiáng)是線性函數(shù)，金屬與半導(dǎo)體接觸處，場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到最大值。由于金屬中場(chǎng)強(qiáng)為零，因此在金屬-半導(dǎo)體結(jié)的金屬區(qū)中存在表面負(fù)電荷。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)7與pn結(jié)計(jì)算方法相同W，結(jié)果與p+n結(jié)相同，均勻摻雜半導(dǎo)體：VR是所加反偏電壓。運(yùn)用突變結(jié)近似。結(jié)電容的結(jié)果與p+n結(jié)也是相同：砷化鎵

4、肖特基二極管Vbi比硅二極管的大第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)8（3）影響肖特基勢(shì)壘高度的非理想因素第一種因素是肖特基效應(yīng)，即勢(shì)壘的鏡像力降低效應(yīng)。電介質(zhì)中距離金屬x處的電子能夠形成電場(chǎng)，電場(chǎng)線與金屬表面必須垂直，與一個(gè)距金屬表面同樣距離（金屬內(nèi)部）的假想正電荷（+e）形成的電場(chǎng)相同，這種假想的影響如下圖所示。對(duì)電子的作用力取決于假想電荷的庫(kù)侖引力電勢(shì)的表達(dá)式為第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)9電子的電勢(shì)能為-e(x)；圖（b）是假設(shè)不存在其他電場(chǎng)時(shí)的電勢(shì)能曲線。電介質(zhì)中存在電場(chǎng)時(shí)，電勢(shì)表達(dá)式修正為恒定電場(chǎng)影響下，電子的電勢(shì)能曲線如圖（c）所示。由圖可見勢(shì)壘的峰值減小了，這種勢(shì)壘減小的現(xiàn)象就

5、是肖特基效應(yīng)。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)10肖特基勢(shì)壘減小，最大勢(shì)壘對(duì)應(yīng)的xm可由下式求得得出界面態(tài)則右圖為GaAs和Si的肖特基二極管的勢(shì)壘高度與金屬功函數(shù)的關(guān)系。曲線與理想勢(shì)壘公式不相符。金屬-半導(dǎo)體的勢(shì)壘高度由金屬功函數(shù)及半導(dǎo)體表面和接觸面的狀態(tài)共同決定。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)11假定金屬與半導(dǎo)體之間存在一條窄的絕緣層，形成電勢(shì)差，但電子在金屬與半導(dǎo)體間可自由流動(dòng)。金屬與半導(dǎo)體的接觸表面，半導(dǎo)體呈現(xiàn)出表面態(tài)分布。熱平衡下，金屬-半導(dǎo)體結(jié)的能帶圖及表面態(tài)假定表面勢(shì)0以下的狀態(tài)是施主態(tài)，如表面出現(xiàn)電子，則將其中和，如沒電子，則呈現(xiàn)正電荷；以上的是受主態(tài)，如沒電子，則將其中和，

6、如有電子，則呈現(xiàn)負(fù)電性。圖中0以上EF以下的一些受主狀態(tài)，表面態(tài)密度Dit態(tài)/cm2eV，則表面勢(shì)、表面態(tài)密度及其他半導(dǎo)體參數(shù)的關(guān)系如下：第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)12情況1： Dit關(guān)系式化簡(jiǎn)為勢(shì)壘高度由禁帶寬度和0決定。勢(shì)壘高度全部與金屬功函數(shù)和半導(dǎo)體電子親和能無(wú)關(guān)，費(fèi)米能級(jí)固定為表面勢(shì)0。情況2：Dit0關(guān)系式化簡(jiǎn)為即原始的理想表達(dá)式。在半導(dǎo)體中，由于勢(shì)壘降低的影響，肖特基勢(shì)壘高度是電場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)。同時(shí)勢(shì)壘高度也是表面態(tài)的函數(shù)，由于表面態(tài)無(wú)法預(yù)知，所以勢(shì)壘高度是一個(gè)實(shí)驗(yàn)值。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)13（4）電流-電壓關(guān)系pn結(jié)電流：少數(shù)載流子決定金屬半導(dǎo)體結(jié)中的電流：多數(shù)載

7、流子決定n型半導(dǎo)體整流接觸的基本過程：電子運(yùn)動(dòng)通過勢(shì)壘，熱電子發(fā)射理論。熱電子發(fā)射理論假設(shè)：勢(shì)壘高度遠(yuǎn)大于kT，玻爾茲曼近似，熱平衡不被打破。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)14正偏時(shí)，跨越勢(shì)壘的靜電勢(shì)差降低，因此表面電子濃度增加；而由金屬流向半導(dǎo)體的電子流量維持不變。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)15在半導(dǎo)體表面的電子若是具有比勢(shì)壘高度更高的能量，便可以通過熱電子發(fā)射而進(jìn)入金屬中。規(guī)定金屬到半導(dǎo)體的方向?yàn)檎较?。則有Ec是電子能夠發(fā)射到金屬中時(shí)所需的最小能量，vx是載流子沿輸運(yùn)方向的速度。電子濃度增量dn可表示為：Ec以上的能量被視為動(dòng)能，則則金屬-半導(dǎo)體結(jié)中的凈電流密度為第九章 金屬半導(dǎo)

8、體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)16其中Bn是實(shí)際肖特基勢(shì)壘高度，A*是熱電子發(fā)射的有效理查德森常數(shù)。上式改寫為JsT是反向飽和電流密度，表示為Bn的變化是由鏡像力降低引起的。由Bn=B0-，上式可寫為反向電流隨著反偏電壓的增加而增大是由于勢(shì)壘降低的影響。肖特基勢(shì)壘二極管加反偏電壓時(shí)的典型I-V曲線第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)17理想肖特基二極管的I-V關(guān)系形式上與pn結(jié)二極管的相同：（5）肖特基勢(shì)壘二極管與pn結(jié)二極管的比較兩者間有兩點(diǎn)重要區(qū)別：第一是反向飽和電流密度的數(shù)量級(jí)。兩種器件的輸運(yùn)機(jī)制不同：肖特基二極管-多子通過熱電子發(fā)射躍過內(nèi)建電勢(shì)差，pn結(jié)二極管-少子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。肖特基二極管的理想反向飽和電

9、流值比pn結(jié)大好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。肖特基二極管的有效開啟電壓低于pn結(jié)二極管。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)18右圖為肖特基二極管和pn結(jié)二極管的正偏I(xiàn)-V特性曲線比較。肖特基二極管的有效開啟電壓低于pn結(jié)二極管的有效開啟電壓。主要原因是金半接觸和pn結(jié)中的摻雜具有不同的勢(shì)壘高度函數(shù)，但還存在著其他主要的不同。肖特基二極管與pn結(jié)二極管的第二個(gè)主要不相同點(diǎn)：頻率響應(yīng)，即開關(guān)特性。肖特基二極管是多子導(dǎo)電器件，其正偏時(shí)不產(chǎn)生擴(kuò)散電容高頻器件；正偏轉(zhuǎn)向反偏時(shí)，也不存在少子的存儲(chǔ)效應(yīng)快速開關(guān)器件。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)199.2 金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸歐姆接觸接觸電阻很低在金屬和半導(dǎo)體兩邊都能形

10、成電流形成的電流是電壓的線性函數(shù)，電壓要低兩種常見歐姆接觸：非整流接觸隧道效應(yīng)形成第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)20（1）理想非整流接觸勢(shì)壘ms，金屬與p型半導(dǎo)體結(jié)歐姆接觸接觸前接觸前接觸后接觸后熱平衡熱平衡考慮表面態(tài)影響，無(wú)法形成良好的歐姆接觸第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)21（2）隧道效應(yīng)金屬-半導(dǎo)體接觸的空間電荷寬度與半導(dǎo)體摻雜濃度的平方根成反比。隨著摻雜濃度增加，耗盡層寬度減小，隧道效應(yīng)增強(qiáng)；例9.7，重?fù)诫s半導(dǎo)體耗盡層厚度數(shù)量級(jí)為埃，隧道電流是結(jié)中的主要電流。隧道電流為：其中第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)22（3）比接觸電阻歐姆電阻的優(yōu)勢(shì)在于接觸處電阻RC，定義：在零偏壓時(shí)，電

11、流密度對(duì)電壓求導(dǎo)的倒數(shù)，即對(duì)于由較低半導(dǎo)體摻雜濃度形成的整流接觸來說，電流-電壓關(guān)系如下：結(jié)中的熱發(fā)射電流起主要作用。此時(shí)，單位接觸電阻為單位接觸電阻隨勢(shì)壘高度的下降迅速減小。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)23對(duì)于具有高摻雜濃度的金屬-半導(dǎo)體結(jié)來說，隧道效應(yīng)起主要作用。則單位接觸電阻為表明單位接觸電阻是強(qiáng)烈依賴于半導(dǎo)體摻雜濃度的函數(shù)。右圖是Rc隨半導(dǎo)體摻雜濃度變化的一系列理論值。摻雜濃度約大于1019cm-3，隧道效應(yīng)占主導(dǎo)地位，Rc隨Nd呈指數(shù)規(guī)律變化；摻雜濃度較低時(shí)，Rc值由勢(shì)壘高度決定，與摻雜濃度基本無(wú)關(guān)。圖中還繪出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)249.3 異質(zhì)結(jié)（1）形

12、成異質(zhì)結(jié)的材料異質(zhì)結(jié)由兩種具有不同禁帶寬度的材料組成。結(jié)表面的能帶是不連續(xù)的。突變結(jié)：半導(dǎo)體由一個(gè)窄禁帶寬度材料突變到寬禁帶寬度材料形成的結(jié)。為形成一有用的異質(zhì)結(jié)，兩種材料的晶格常數(shù)必須匹配。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)25（2）能帶圖根據(jù)帶隙能量的關(guān)系，異質(zhì)結(jié)有3種可能：跨騎（圖(a)）、交錯(cuò)（圖(b)）、錯(cuò)層（圖(c)）。根據(jù)摻雜類型的不同，有4種基本類型的異質(zhì)結(jié)：反型異質(zhì)結(jié)：摻雜類型變化，例nP結(jié)、Np結(jié)同型異質(zhì)結(jié)：摻雜類型相同，例nN結(jié)、pP結(jié)其中，大寫字母表示較寬帶隙的材料窄帶隙和寬帶隙能量的關(guān)系: (a)跨騎；(b)交錯(cuò)；(c)錯(cuò)層第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)26真空能帶與

13、兩個(gè)導(dǎo)帶能級(jí)和價(jià)帶能級(jí)平行，真空能級(jí)連續(xù)。接觸前能帶第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)27熱平衡狀態(tài)下的一個(gè)典型理想nP異質(zhì)結(jié)第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)28（3）二維電子氣nN異質(zhì)結(jié)在熱平衡狀態(tài)下的理想能帶圖為達(dá)到熱平衡，電子從寬帶隙材料流向窄帶隙，在臨近表面的勢(shì)阱處形成電子的堆積。電子在勢(shì)阱中能量是量子化的。二維電子氣指電子在一個(gè)空間方向上（與界面垂直方向）有量子化的能級(jí)，同時(shí)也可向其他兩個(gè)空間方向自由移動(dòng)。圖（a）為導(dǎo)帶邊緣靠近突變結(jié)表面處的能帶圖（b）三角形勢(shì)阱的近似形狀第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)29平行于表面的電流是電子濃度和電子遷移率的函數(shù)。由于GaAs輕摻雜或本征，則二維電子氣處于一低雜質(zhì)濃度區(qū)，因?yàn)殡s質(zhì)散射效應(yīng)達(dá)到最小。同樣區(qū)域，電子遷移率遠(yuǎn)大于有電離施主雜質(zhì)時(shí)的遷移率。平行于表面的電子運(yùn)動(dòng)受到AlGaAs中電離雜質(zhì)庫(kù)侖力的影響，采用AlGaAs-GaAs異質(zhì)結(jié)時(shí)這種作用將大大減弱。將逐漸變化的本征AlGaAs夾在N型AlGaAs和GaAs間。勢(shì)阱中電子遠(yuǎn)離已電離雜質(zhì)，則電子遷移率較突變的異質(zhì)結(jié)中遷