2022-2023學(xué)年高二物理競賽課件：金屬與半導(dǎo)體總結(jié)

金屬與半導(dǎo)體總結(jié)小結(jié)與補(bǔ)充金屬與半導(dǎo)體接觸N型P型Wm>Ws阻擋層(整流接觸)反阻擋層(歐姆接觸)Wm<Ws反阻擋層(歐姆接觸)阻擋層(整流接觸)整流理論擴(kuò)散理論(適用于厚阻擋層)熱電子發(fā)射理論(適用于阻擋層很薄)厚阻擋層：勢壘寬度比電子的平均自由程大得多時，這樣的阻擋層就是厚阻擋層電子平均自由程遠(yuǎn)大于勢壘寬度，電子在勢壘區(qū)的碰撞可以忽略，這時候，起決定作用的是勢壘高度。半導(dǎo)體內(nèi)部的電子或者金屬內(nèi)部的電子只要有足夠能量越過勢壘，就可以通過阻擋層。界面態(tài)對勢壘高度會有影響12整流就是單向?qū)щ?，類似于PN結(jié)肖特基勢壘二極管和PN結(jié)二極管比較1)高的工作頻率和開關(guān)速度肖特基勢壘:無少字存儲效應(yīng),所以頻率特性不受電荷存儲效應(yīng)限制,只是受到RC時間常數(shù)(τ=RC)限制。PN結(jié):從正偏到反偏,存儲的少子不能立刻消失,并且速度受少子存儲效應(yīng)的限制。所以,肖特基二極管對于高頻和快速開關(guān)應(yīng)用是理想的。

(少子存儲效應(yīng)即電荷存儲,

pn結(jié)是少子器件，外加正向偏壓（p正n負(fù)），使得n區(qū)電子漂移運(yùn)動經(jīng)過空間電荷區(qū)來到p區(qū)邊界，p區(qū)空穴來到n區(qū)邊界，形成少數(shù)載流子的積累，即電荷存貯效應(yīng))ωc是截止頻率,因為rd>>rs,所以有

ωc2=Cd2rdrs1對于高頻運(yùn)用,cd、rd、rs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。那么是能夠?qū)崿F(xiàn)小rs的,通過采用GaAs材料,工作頻率可達(dá)到100GHz。肖特基勢壘箝位晶體管

由于肖特基勢壘具有快速開關(guān)響應(yīng),因而可以把它和NPN晶體管的集電結(jié)并聯(lián)連接,以減小晶體管的存儲時間,如左下電路圖所示,當(dāng)晶體管飽和,集電結(jié)被正向偏置約為0.5VCBE電路圖CEBN+N+NPN+集成結(jié)構(gòu)

若肖特基二極管上的正向壓降(一般為0.3V)低于晶體管基極-集電極的開態(tài)電壓,則大部分過量基極電流將流過二極管,該二極管沒有少數(shù)載流子存儲效應(yīng),因此,與單獨(dú)的晶體管相比,合成器件肖特基勢壘箝位晶體管的存儲時間得到了顯著的降低。測得的存儲時間可以低于1ns。肖特基勢壘箝位晶體管是按上圖集成電路的形式實現(xiàn)的。鋁在輕摻雜的N型集電區(qū)上形成極好的肖特基勢壘,同時在重?fù)诫s的P型基區(qū)上形成優(yōu)良的歐姆接觸.這兩種接觸可以只通過一步金屬化實現(xiàn),不需要額外的工藝。歐姆接觸-非整流的M-S結(jié)定義:

在所使用的結(jié)構(gòu)上不會添加較大的寄生阻抗,且不足以改變半導(dǎo)體內(nèi)的平衡載流子濃度使器件特性受到影響?？紤]φm<φs的理想的金屬和N型半導(dǎo)體對。它們在接觸之前的能帶圖如圖(a)所示。圖(b)所示為當(dāng)做成接觸時載流子交換產(chǎn)生的能帶圖。在結(jié)處幾乎不存在勢壘,因此,載流子可以自由地通過任一方向,結(jié)果為這種M-S結(jié)是非整流的。qφmEFMχsqφsEcEvEFs金屬半導(dǎo)體(N型)圖(a)接觸之前金屬半導(dǎo)體EvEcEFq(φs-φm)圖(b)接觸之后處于平衡態(tài)φm<φs的理想金屬和N型半導(dǎo)體的接觸的能帶圖可以證明,具有φm>φs的金屬-P型半導(dǎo)體對也是歐姆接觸,但若φm<φs則為整流結(jié)。

EF金屬半導(dǎo)體EcEv圖(c)在半導(dǎo)體一邊加上負(fù)電壓EF金屬半導(dǎo)體EcEv圖(d)在半導(dǎo)體一邊加上正電壓φm<φs的理想金屬和N型半導(dǎo)體的接觸的能帶圖實際上,不論N型還是P型半導(dǎo)體,由于在界面態(tài)上的電荷效應(yīng),理想的歐姆接觸只能是一種近似,在金屬和半導(dǎo)體之間的直接接觸一般不形成歐姆結(jié),特別是當(dāng)半導(dǎo)體為低摻雜時尤其如此。但如果半導(dǎo)體為重?fù)诫s,例如,具有1019cm-3或更高的雜質(zhì)密度,那么金屬-半導(dǎo)體接觸為歐姆接觸。在圖(a)中,若N型半導(dǎo)體是重?fù)诫s的,空間電荷寬度W變得如此之薄,以至于載流子可以隧道穿透而不是越過勢壘。由于在勢壘每邊的電子都可能隧道穿透到另一邊,所以實現(xiàn)了在正、反向偏壓下基本上對稱的I-V曲線。因此,勢壘是非整流的,并有一低電阻,在Nd>1019cm-3的N型Si上蒸發(fā)Al、Au或Pt都可以實現(xiàn)實際的歐姆接觸。這也是器件工藝中采用重?fù)诫s襯底的原因之一。下圖所示為在小的正偏壓下歐姆接觸(非整流)M-S結(jié)的能帶圖和它的I-V特性ECEFEV電子IOV金屬在N+半導(dǎo)體上的接觸的能帶圖和電流-電壓特性基于金屬-半導(dǎo)體整流接觸特性制成的肖特基勢壘二極管和PN結(jié)具有類似的電流電壓關(guān)系，即都具有單向?qū)щ娦?。肖特基二極管具有高頻，正向?qū)妷旱偷奶匦裕诟咚偌呻娐?，微波技術(shù)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，但是缺點(diǎn)是不能耐高壓。3歐姆接觸：就是形成了反阻擋層，無明顯附加阻抗，不會使半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著改變。歐姆接觸的壓降遠(yuǎn)小于樣品或者器件本身的壓降，不會影響器件的