半導(dǎo)體理器件物課件

-半導(dǎo)體結(jié)●肖特基勢(shì)壘●界面態(tài)對(duì)勢(shì)壘高度的影響●鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響●肖特基勢(shì)壘二極管的結(jié)構(gòu)●肖特基勢(shì)壘二極管的電流-電壓特性●金屬-絕緣體-半導(dǎo)體肖特基勢(shì)壘二極管●肖特基勢(shì)壘二極管和PN結(jié)二極管之間的比較●肖特基勢(shì)壘二極管的應(yīng)用●歐姆接觸引言金屬-半導(dǎo)體結(jié)器件是應(yīng)用于電子學(xué)的最古老的固態(tài)器件。金屬—半導(dǎo)體形成的冶金學(xué)接觸叫做金屬-半導(dǎo)體結(jié)（M-S結(jié)）或金屬-半導(dǎo)體接觸。把須狀的金屬觸針壓在半導(dǎo)體晶體上或者在高真空下向半導(dǎo)體表面上蒸鍍大面積的金屬薄膜都可以實(shí)現(xiàn)金屬-半導(dǎo)體結(jié)，前者稱為點(diǎn)接觸，后者則相對(duì)地叫做面接觸。金屬-半導(dǎo)體接觸出現(xiàn)兩個(gè)最重要的效應(yīng)：其一是整流效應(yīng)，其二是歐姆效應(yīng)。前者稱為整流接觸，又叫做整流結(jié)。后者稱為歐姆接觸，又叫做非整流結(jié)。1874年布朗（Brawn）就提出了金屬與硫化鉛晶體接觸間具有不對(duì)稱的導(dǎo)電特性。1906年皮卡德（Pickard）獲得了硅點(diǎn)接觸整流器專利。引言1938年肖特基和莫特（Mott）各自獨(dú)立提出電子以漂移和擴(kuò)散的方式解釋勢(shì)壘的觀點(diǎn)。19世紀(jì)20年代出現(xiàn)了鎢-硫化鉛點(diǎn)接觸整流器和氧化亞銅整流器。同年，塔姆（Tamm）提出表面態(tài)的概念。1931年肖特基(Schottky)等人提出M-S接觸處存在某種“勢(shì)壘”的想法。1932年威爾遜（Wilson）等用量子理論的隧道效應(yīng)和勢(shì)壘的概念解釋了M-S接觸的整流效應(yīng)。1907年皮爾斯（Pierce）提出，在各種半導(dǎo)體上濺射金屬可以制成整流二極管。4.1肖特基勢(shì)壘4.1.1肖特基勢(shì)壘的形成考慮金屬與N-半導(dǎo)體－半導(dǎo)體功函數(shù)－金屬的功函數(shù)－電子親和勢(shì)(真空能級(jí)和導(dǎo)帶底之差）假設(shè)半導(dǎo)體表面沒(méi)有表面態(tài)，接觸是理想的，半導(dǎo)體能帶直到表面都是平直的。自建電勢(shì)差肖特基勢(shì)壘高度或其中：4.1肖特基勢(shì)壘4.1.2加偏壓的肖特基勢(shì)壘正偏壓：在半導(dǎo)體上相對(duì)于金屬加一負(fù)電壓半導(dǎo)體-金屬之間的電勢(shì)差減少為，變成反偏壓：正電壓加于半導(dǎo)體上勢(shì)壘被提高到4.1肖特基勢(shì)壘4.1.2加偏壓的肖特基勢(shì)壘根據(jù)加偏壓的的肖特基勢(shì)壘能帶圖與單邊突變PN結(jié)，正偏壓下半導(dǎo)體一邊勢(shì)壘的降低使得半導(dǎo)體中的電子更易于移向金屬，能夠流過(guò)大的電流。在反向偏壓條件下，半導(dǎo)體一邊勢(shì)壘被提高。被提高的勢(shì)壘阻擋電子由半導(dǎo)體向金屬渡越。流過(guò)的電流很小。這說(shuō)明肖特基勢(shì)壘具有單向?qū)щ娦约凑魈匦?。由于金屬中具有大量的電子，空間電荷區(qū)很薄，因此加偏壓的的肖特基勢(shì)壘能帶圖中

幾乎不變。4.1肖特基勢(shì)壘4.1.2加偏壓的肖特基勢(shì)壘與PN結(jié)情形一樣，可以給出與的關(guān)系曲線以得到直線關(guān)系。從中可以計(jì)算出自建電勢(shì)和半導(dǎo)體的摻雜濃度圖4-3鎢硅和鎢砷化鎵的二極管1/C2與外加電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系

4.1肖特基勢(shì)壘例：從圖4-3計(jì)算硅肖特基二極管施主濃度、自建電勢(shì)、勢(shì)壘高度。解：利用（4-1-9）式，寫成4.1肖特基勢(shì)壘●學(xué)習(xí)要求了解金屬—半導(dǎo)體接觸出現(xiàn)兩個(gè)最重要的效應(yīng)

畫出熱平衡情況下的肖特基勢(shì)壘能帶圖掌握公式（4-1-6）（4-1-1）（4-1-3）（4-1-5）（4-1-7）畫出加偏壓的的肖特基勢(shì)壘能帶圖，根據(jù)能帶圖解釋肖特基勢(shì)壘二極管的整流特性由與的關(guān)系曲線求出自建電勢(shì)和半導(dǎo)體的摻雜情況4.2界面態(tài)對(duì)勢(shì)壘高度的影響三、界面態(tài)的影響圖4-4被表面態(tài)鉗制的費(fèi)米能級(jí)4.2界面態(tài)對(duì)勢(shì)壘高度的影響三、界面態(tài)的影響結(jié)果是，自建電勢(shì)被顯著降低如圖（4-4a），并且，根據(jù)式（4-1-3），勢(shì)壘高度也被降低。從圖4-4（a）看到，更小的使更接近。與此類似，若，則在界面態(tài)中有負(fù)電荷，并使增加，還是使和接近（圖4-4b）。因此，界面態(tài)的電荷具有負(fù)反饋效應(yīng)，它趨向于使和接近。若界面態(tài)密度很大，則費(fèi)米能級(jí)實(shí)際上被鉗位在（稱為費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)），而變成與金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)無(wú)關(guān)。在大多數(shù)實(shí)用的肖特基勢(shì)壘中，界面態(tài)在決定數(shù)值當(dāng)中處于支配地位，勢(shì)壘高度基本上與兩個(gè)功函數(shù)差以及半導(dǎo)體中的摻雜度無(wú)關(guān)。由實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的勢(shì)壘高度列于表4-1中。發(fā)現(xiàn)大多數(shù)半導(dǎo)體的能量在離開(kāi)價(jià)帶邊附近。

4.2界面態(tài)對(duì)勢(shì)壘高度的影響三、界面態(tài)的影響表4-1以電子伏特為單位的N型半導(dǎo)體上的肖特基勢(shì)壘高度4.3鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響一、鏡像力降低肖特基勢(shì)壘高度（肖特基效應(yīng)）將原來(lái)的理想肖特基勢(shì)壘近似地看成是線性的，因而界面附近的導(dǎo)帶底勢(shì)能曲線為（4-3-3）

其中為表面附近的電場(chǎng)，等于勢(shì)壘區(qū)最大電場(chǎng)（包括內(nèi)建電場(chǎng)和偏壓電場(chǎng)）?？倓?shì)能為可見(jiàn)原來(lái)的理想肖特基勢(shì)壘的電子能量在處下降，也就是說(shuō)使肖特基勢(shì)壘高度下降。這就是肖特基勢(shì)壘的鏡像力降低現(xiàn)象，又叫做肖特基效應(yīng)。4.3鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響二、勢(shì)壘降低的大小和發(fā)生的位置

設(shè)勢(shì)壘高度降低的位置發(fā)生在處，勢(shì)壘高度降低值為。

令

，由（4-3-4）式得到（4-4-5）

4.3鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響二、勢(shì)壘降低的大小和發(fā)生的位置

由于故（4-3-6）

大電場(chǎng)下，肖特基勢(shì)壘被鏡像力降低很多。4.3鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響三、空穴鏡像力

空穴也產(chǎn)生鏡像力，它的作用是使半導(dǎo)體能帶的價(jià)帶頂附近向上彎曲，如圖4-6所示，但它不象導(dǎo)帶底那樣有極值，結(jié)果使接觸處的能帶變窄。4.4肖特基勢(shì)壘二極管的結(jié)構(gòu)

圖4-8實(shí)用的肖特基二極管結(jié)構(gòu)：

（a）簡(jiǎn)單接觸，（b）采用金屬搭接，（C）采用保護(hù)環(huán)二極管。

4.5肖特基勢(shì)壘二極管的電流-電壓特性熱電子和熱載流子二極管：當(dāng)電子來(lái)到勢(shì)壘頂上向金屬發(fā)射時(shí)，它們的能量比金屬電子高出約。進(jìn)入金屬之后它們?cè)诮饘僦信鲎惨越o出這份多余的能量之前，由于它們的等效溫度高于金屬中的電子，因而把這些電子看成是熱的。由于這個(gè)緣故，肖特基勢(shì)壘二極管有時(shí)被稱為熱載流子二極管。這些載流子在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)和金屬電子達(dá)到平衡，這個(gè)時(shí)間一般情況小于。4.5肖特基勢(shì)壘二極管的電流-電壓特性一、空間電荷區(qū)中載流子濃度的變化

則空間電荷區(qū)中載流子濃度為（4-5-4）

（4-5-5）在半導(dǎo)體與金屬界面處（4-5-6）

（4-5-7）

稱為表面勢(shì)。取半導(dǎo)體內(nèi)為電勢(shì)零點(diǎn)，則表面勢(shì)4.5肖特基勢(shì)壘二極管的電流-電壓特性二、電流－電壓特性(理查森－杜師曼（Richardson-dushman）方程)在M-S界面（4-5-9）

（4-5-10）

即當(dāng)有外加電壓V

時(shí)

4.5肖特基勢(shì)壘二極管的電流-電壓特性二、電流－電壓特性(理查森－杜師曼（Richardson-dushman）方程)由氣體動(dòng)力論，單位時(shí)間入射到單位面積上的電子數(shù)即進(jìn)入金屬的電子數(shù)為式中（4-5-12）

為熱電子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度，為電子有效質(zhì)量。（4-5-13）

于是電子從半導(dǎo)體越過(guò)勢(shì)壘向金屬發(fā)射所形成的電流密度為與此同時(shí)電子從金屬向半導(dǎo)體中發(fā)射的電流密度為4.5肖特基勢(shì)壘二極管的電流-電壓特性二、電流－電壓特性(理查森－杜師曼（Richardson-dushman）方程)其中（4-5-15）

（4-5-16）

（4-5-17）

的單位為，其數(shù)值依賴于有效質(zhì)量，對(duì)于N型硅和P型硅，分別為110和32；對(duì)于N型和P型GaAs，分別為8和74。稱為有效理查森常數(shù)，它是在電子向真空中發(fā)射時(shí)的里查森常數(shù)中，用半導(dǎo)體電子的有效質(zhì)量代替自由電子質(zhì)量而得到的。代入有關(guān)常數(shù)，最后得到4.4肖特基勢(shì)壘二極管的電流-電壓特性二、電流－電壓特性(理查森－杜師曼（Richardson-dushman）方程)當(dāng)肖特基勢(shì)壘被施加反向偏壓時(shí)，將（4-5-14）式中的換成即可得到反向偏壓下M-S的電流—電壓關(guān)系。于是，金屬－半導(dǎo)體結(jié)在正反兩種偏壓下的電流—電壓關(guān)系可以統(tǒng)一用下式表示（4-5-18）

（4-5-19）

稱為理想化因子，它是由非理想效應(yīng)引起的。對(duì)于理想的肖特基勢(shì)壘二極管，兩種肖特基二極管的實(shí)驗(yàn)特性示于圖4-7中。4.5肖特基勢(shì)壘二極管的電流-電壓特性二、電流－電壓特性(理查森－杜師曼（Richardson-dushman）方程)

圖4.7和肖特基二極管正向電流密度與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系4.5肖特基勢(shì)壘二極管的電流-電壓特性二、電流－電壓特性(理查森－杜師曼（Richardson-dushman）方程)使正向I-V曲線延伸至，可以求出參數(shù)，可以用它和（4-5-15）式一起來(lái)求出勢(shì)壘高度。理想化因子可由半對(duì)數(shù)曲線的斜率計(jì)算出來(lái)。對(duì)于Si二極管得到，GaAs二極管

?？梢?jiàn)（4-5-14）式較好地適用于Si、Ge和GaAs等常用半導(dǎo)體材料作成的肖特基勢(shì)壘。以上分析說(shuō)明，肖特基勢(shì)壘電流基本上是由多子傳導(dǎo)的，是一種多子器件。值得指出的是，根據(jù)式（4-28），反向電流應(yīng)為常數(shù)，這與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。其原因之一是4.3節(jié)中所指出的鏡像力作用。把換成，則飽和電流改為實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用上述方程來(lái)描述肖特基勢(shì)壘二極管的電流電壓特性更為精確，特別是對(duì)反向偏壓情況的描述。4.5肖特基勢(shì)壘二極管的電流-電壓特性三、少數(shù)載流子電流

空穴從金屬注入到半導(dǎo)體中形成電流。這個(gè)電流實(shí)際上是半導(dǎo)體價(jià)帶頂附近的電子流向金屬費(fèi)米能級(jí)以下的空狀態(tài)而形成的。（4-5-21）

（4-5-22）

其中在象硅這樣的共價(jià)鍵半導(dǎo)體中要比小的多，結(jié)果是熱離子發(fā)射電流通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于少數(shù)載流子電流

4.5肖特基勢(shì)壘二極管的電流-電壓特性例：一個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管，，計(jì)算勢(shì)壘高度和耗盡層寬度。比較多數(shù)載流子電流和少數(shù)載流子電流，假設(shè)解：由圖4-7求得。由方程（4-5-15）于是4.5肖特基勢(shì)壘二極管的電流-電壓特性例：一個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管，，計(jì)算勢(shì)壘高度和耗盡層寬度。比較多數(shù)載流子電流和少數(shù)載流子電流，假設(shè)解：時(shí)，耗盡層寬度為設(shè)，則因此：

4.5肖特基勢(shì)壘二極管的電流-電壓特性●學(xué)習(xí)要求掌握概念：表面勢(shì)、熱電子、熱載流子二極管、里查森常數(shù)、有效里查森常數(shù)導(dǎo)出表面空間電荷區(qū)內(nèi)載流子濃度表達(dá)式和半導(dǎo)體表面載流子濃度表達(dá)式：（4-5-4）、（4-5-5）、（4-5-6）、（4-5-7）導(dǎo)出電流－電壓特性〔李查德－杜師曼（Richardson-dushman）方程〕（4-5-18）、（4-5-19）結(jié)合例題，比較少子空穴電流與多子電流。4.6金屬-絕緣體-半導(dǎo)體肖特基二極管一、基本結(jié)構(gòu)

在實(shí)際情況中，當(dāng)金屬接觸被蒸發(fā)到化學(xué)制備的Si表面上時(shí)，在金屬和半導(dǎo)體之間的界面上總有一層氧化層。氧化層很薄，一般為

圖4-9MIS結(jié)構(gòu)的能帶圖

4.6金屬-絕緣體-半導(dǎo)體肖特基二極管二、MIS肖特基二極管在熱平衡時(shí)，有一個(gè)電位降跨越在氧化層上使得勢(shì)壘高度被改變。在MIS肖特基二極管中，傳導(dǎo)電流是由載流子隧道穿透氧化層所形成的：

－從導(dǎo)帶邊緣算起的平均勢(shì)壘高度，以電子伏特為單位。－氧化層厚度，以埃為單位。的乘積無(wú)量綱在一般情況下，若外加電壓不變，薄氧化層只減少多數(shù)載流子電流，但不降低少數(shù)載流子電流。這導(dǎo)致少數(shù)載流子電流與多數(shù)載流子電流的比率的增長(zhǎng)。結(jié)果是增加了少數(shù)載流子的注入比，這有利于改善諸如太陽(yáng)電池和發(fā)光二極管等器件的性能。4.7肖特基勢(shì)壘二極管和P-N結(jié)二極管之間的比較肖特基勢(shì)壘二極管是多子器件，P-N結(jié)二極管是少子器件。（1）在肖特基勢(shì)壘中，由于沒(méi)有少數(shù)載流子貯存，因此肖特基勢(shì)壘二極管適于高頻和快速開(kāi)關(guān)的應(yīng)用。（2）肖特基勢(shì)壘上的正向電壓降要比P-N結(jié)上的低得多。低的接通電壓使得肖特基二極管對(duì)于鉗位和限輻的應(yīng)用具有吸引力。（3）肖特基勢(shì)壘的溫度特性優(yōu)于P-N結(jié)。（4）噪聲特性也優(yōu)于P-N結(jié)。此外，肖特基勢(shì)壘二極管制造工藝簡(jiǎn)單。4.7肖特基勢(shì)壘二極管和P-N結(jié)二極管之間的比較4.7肖特基勢(shì)壘二極管和P-N結(jié)二極管之間的比較●學(xué)習(xí)要求了解與結(jié)型二極管相比肖特基勢(shì)壘二極管的主要特點(diǎn)。4.8肖特基勢(shì)壘二極管的應(yīng)用肖特基二極管的等效電路Cd－結(jié)電容，rs－串聯(lián)電阻。

（4-8-1）為二極管結(jié)電阻（擴(kuò)散電阻）。

4.8肖特基勢(shì)壘二極管的應(yīng)用一、肖特基勢(shì)壘檢波器或混頻器由電磁學(xué)，復(fù)阻抗當(dāng)時(shí)在上的功率耗散和在結(jié)上的相等。式中稱為截止頻率。因?yàn)?/p>

，所以有（4-8-3）

對(duì)于高頻運(yùn)用，、和都應(yīng)該很小。如果半導(dǎo)體具有高雜質(zhì)濃度和高遷移率，是能夠?qū)崿F(xiàn)小的。通過(guò)采用GaAs材料，工作頻率接近100GHz看來(lái)是有可能的。4.8肖特基勢(shì)壘二極管的應(yīng)用二、肖特基勢(shì)壘鉗位晶體管

4.8肖特基勢(shì)壘二極管的應(yīng)用二、肖特基勢(shì)壘鉗位晶體管

當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管飽和時(shí)，集電結(jié)被正向偏置約達(dá)0.5V。若在肖特基二極管上的正向壓降（一般為0.3V）低于晶體管基極集電極的開(kāi)態(tài)電壓，則大部分過(guò)量基極電流流過(guò)二極管，該二極管沒(méi)有少數(shù)載流子貯存效應(yīng)。因此，與單獨(dú)的晶體管相比較，合成器件的貯存時(shí)間得到顯著的降低。測(cè)得的貯存時(shí)間可以低于1ns。肖特基勢(shì)壘鉗位晶體管是按示于圖4-13b的結(jié)構(gòu)以集成電路的形式實(shí)現(xiàn)的。鋁在輕摻雜的N型集電區(qū)上能形成極好的肖特基勢(shì)壘，并同時(shí)在重?fù)诫s的P型基區(qū)上面形成優(yōu)良的歐姆接觸。這兩種接觸可以只通過(guò)一步金屬化作成，無(wú)需額外的工藝。4.8肖特基勢(shì)壘二極管的應(yīng)用●學(xué)習(xí)要求畫出肖特基勢(shì)壘二極管的等效電路，說(shuō)明各參數(shù)所代表的意義。畫出肖特基勢(shì)壘鉗位