金属半导体和半导体异质结高级课件.ppt

xn eNd dx
E
x s
E
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
eN d
s
( xn
x)
(x)
x 0
eN d
s
( xn
x)dx
eN d
s
(
xn
x
1 2
x2
)
B0
取金属的电势为0势能点
W
xn
[
2
sVbi
]
1 2
eN d
类比p精+编n课件单边突变结得出
17
结电容：
C 0 s [ e s Nd
1
]2
W 2(Vbi VR )
( 1 )2 2(Vbi VR )
主要取决于多数载流子。肖
特基二极管的基本过程是电
子运动通过势垒。这种现象
可以通过热电子发射理论来
解释。热电子发射现象基于
势垒高度远大于kT这一假定。
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Js m是电子从半 导体扩散到金属 中的电流密度，
Jm s是电子从金 属扩散到半导体 中的电流密度。
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30
假定x坐标垂直于MS界面并指向半导体方向。
结论：M<s形成欧姆接触 实际要形成欧姆接触时，要求半导体重掺杂，使空间电荷层 很薄，发生隧道穿透。
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9.2 金属半导体的欧姆接触
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44
9.2 金属半导体的欧姆接触
金属与P型半导体接触：m> s
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9.2 金属半导体的欧姆接触
• 由于半导体表面态的存在，假定半导体能带隙的 上半部分存在受主表面态，那么所有受主态都位 于EF之下，如图9.11b.这些表面态带负电荷， 将使能带图发生变化。
公共界面把图连起来
3. 不改变半导体界面能带的位置，向上或向下移动
半导体体内部分的能带，直到EF在各处的值相等
4. 恰当地把界面处的Ec, Ei, Ev和体内Ec, Ev, Ei连 接起来
5.去除不重要的
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5
Figure 9.1
m>s
两个方向都存在 电子流动的势垒
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6
金属中的电子向半导体中运动存在势垒B0 叫做肖特基势垒。
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遂道效应
金属半导体接触的 空间电荷层宽度与 半导体掺杂浓度的 平方根成反比，随 着掺杂浓度的增加， 遂穿效应增强
xn
[ 2 sVbi
eNd
1
]2
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9.3异质结
9.1.1半导体异质结 两种不同半导体材料接触形成的结 反型异质结：由导电类型相反的两种不同的半导体
单晶材料所形成的异质结如p-Ge和 n-GaAs 记为p-nGe-GaAs 如p-nGe-Si, n-pGe-GaAs 同型异质结：导电类型相同的两种半导体材料所形 成的异质结.如n-nGe-Si, p-p GeGaAs ,p-pSi-GaP 一般把禁带宽度较小的半导体材料写在前面。或者用大 写字母表示较宽带隙的精材编课料件 ，如Np，nP,Nn,pP49.
J sT
A*T
2e
b kT
A T e *
2
b b kT
虽然J-V特性的形式非常相似，但反向饱和电流密度的公式有很 大区别，两种器件的电流输运机构是不同的。Pn结的电流是由 少数载流子的扩散运动决定的，而肖特基势垒二极管中的电流 是由多数载流子通过热电子发射跃过内建电势差而形成的。
JsT>>JS,
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Eg Wm
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7.1 金属和半导体接触及其能带图
结论
Wm>Ws Wm<Ws
n形半导体 p形半导体 整流接触 欧姆接触 欧姆接触 整流接触
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14
例2：受主浓度为NA=1017cm-3的p型Ge, 室温下 的功函数是多少？若不考虑界面态的影响，它与Al接 触时形成整流接触还是欧姆接触？如果是整流接触，
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7.1 金属和半导体接触及其能带图
金 属 和
p
型 半 导 体 接 触 的 平 衡 态 能 带 图
整流接触
欧姆接触
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7.1 金属和半导体接触及其能带图
金属一边的势垒高度：
E（C 界面） EFM Wm ns EFM EV (界面）
（EC EV）（Ec (界面） EFM）
)e kT
mn*
2 x
e 2kT
m i n
J sm e xn(x )dx
[
A*T
2e
e B n kT
e
qVa kT
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电子在从金属进入半导体时遇到的
势垒高度B0始终不变，因此
Jms (Va ) Jms (Va 0) 在平衡条件下，穿过势垒的
Jms (Va
0)
J sm (Va
0)
随着电场强度和反偏电压的增大而增大，反偏电 流随反偏电压的增加而增加。
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34
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35
Figure 9.9
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36
9.1.5肖特基势垒二极管 和pn结二极管的比较
pn结二极管 肖特基
qV
J J s (e kT 1)
Js
( qDnni2 NA
qDp ni2 ND
)
qVa
J JsT (e kT 1)
• 若能级空着时呈电中性，而接受电子后呈负电，称
为受主型表面态。
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23
• 表面态存在一个距离价带顶为0的中性能级：
电子正好填满0 以下的所有表面态时，表面 呈电中性； 0以下的表面态空着时，表面带 正电，呈施主型； 0之上的表面态被电子填 充时，表面带负电，呈现受主型。对于大多数
半导体， 0约为禁带宽度的三分之一。
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40
MS可以用来加快BJT的瞬态关断 过程。称为肖特基二极管的钳制。 它的作用是，当BJT在开启状态进 入饱和模式时，MS二极管导通并 把CB结钳制到相对低的正偏压下， 这种方法利用了MS能比pn结的导 通电压低这一特点。这样CB结可 以维持在一个相对较低的电压上， 在BJT中可以有最少的电荷储存。 所以关断的时间显著减少。
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25
假设在n型半导体表面存在表面态：
当EF低于0时， 0之下有一些态是空着的，表面 呈正电，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中产生电势差， 所以半导体的耗尽层中需要较少的电离施主来平衡。 结果自建势被显著降低， 金属一边的势垒也降低。
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VD
ns
(EV q
EF )
0.52 kT ln
NA NV
0.41eV
WAu WGe,形成欧姆接触
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9.1.2 理想结的特性
• 半导体中空间电荷区的电荷、电场、电势的分布 假设半导体均匀掺杂Nd.
电荷分布：(x) eNd
泊松方程：dE (x) eNd
dx s
s
0
dE
金属的功函数
m E0 EF M
[从3.66eV (Mg) ~ 5.15eV (Ni)]
半导体的亲和势
s E0 E（C 表面）
半导体的功函数 Ge, Si, GaAs: 4.13,4.01,4.07eV
S s [精E编C课件 EF S ]FB
4
画能带图的步骤：
1. 画出包括表面在内的各部分的能带图 2. 使图沿垂直方向与公共的E0参考线对齐，并通过
C
e s Nd
由此曲线的截距可以得到 Vbi，由斜率可以得到Nd， 从而求得n和Bo
235页例2
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9.1.3影响肖特基势垒高度的非理想因素
一、镜像力对势垒高度的影响
在金属-真空系统中，一个在金属外面的电子，要在金属表 面感应出正电荷，同时电子要受到正电荷的吸引，若电子距 离金属表面的距离为x，则电子与感应正电荷之间的吸引力， 相当于位于（-x）处时的等量正电荷之间的吸引力。正电 荷叫镜像电荷，这个吸引力叫镜像引力
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8
正偏
反偏
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9
肖特基二极管：正偏金属的电势高于半导体
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10
M>s，整流接触
• 正偏，半导体势垒高度变低，电子从S注入M， 形成净电流I，I随VA的增加而增加。
• 反偏：势垒升高，阻止电子从S向金属流动， 金属中的一些电子能越过势垒向半导体中运动， 但这一反向电流很小。
• 结论： M>s时，理想的MS接触类似于pn 结二极管、 具有整流特性
• 同样地假定半导体能带隙的下半部分存在施主表 面态，如图9.13b，所有施主态都位于EF之上， 这些表面态带正电荷，将使能带图发生变化。因 此表面态的作用无法形成良好的欧姆接触
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实际的MS接触
在MS接触下方半 导体的重掺杂有助 于欧姆接触的形成
穿过势垒型接触的发 射电流随掺杂的变化
欧姆接触的形成
二、 界面态对势垒高度的影响
• 前面讨论的理想MS接触，认为接触势垒仅由金属的 功函数决定的，实际上，半导体表面存在的表面态 对接触势垒有较大的影响。
• 表面态位于禁带中，对应的能级称为表面能级。表 面态分为施主型和受主型两类。
• 若能级被电子占据时呈电中性，施放电子后呈正电， 称为施主型表面态。
q2
q2
F 4k0 (2x)2 16k0x2
镜像电荷
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电子
19
电势表达式：
（' x) x Edx'
x
4
s
e (2
x
'
)
2
dx'
e
16 s x
半导体中存在内建电场和内建电势，总电势
（x)
e
16
sx
eNd
s
(xn x
1 2
x2 ) B0
电势能为- e(x)
e2
16
e2Nd
x s 精编课件 s
第九章 金属半导体和半导体异质结
9.1 肖特基势垒二极管 9.2 金属半导体的欧姆接触 9.3 异质结
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1
9.1 肖特基势垒二极管
肖特基势垒二极管示意 图
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2
9.1.1 性质上的特征
金属
N型半导体
金属和n型半导体接触前的平衡态能带图
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3
基本概念
真空能级E0:电子完全脱离材料本身的束缚所需的最小能量 功函数：从费米能级到真空能级的能量差 电子亲和势：真空能级到价带底的能量差
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肖特基二极管钳制 npnBJT的电路图
41
9.2 金属半导体的欧姆接触
金属与n型半导体接触：m< s
电子从S流向M没有势垒精编，课件反之，仅有一小的势垒42
M<s，欧姆接触
• 正偏： 电子从半导体流向金属没有遇到势垒， VA>0, 就会有很大的正向电流
反偏：电子从金属流向半导体会遇到小的势垒，反偏 电压VR大于零点几伏，势垒就会变为0，在相对 较小的反偏电压下，会有很大的电流。且电流 不饱和
26
• 半导体费米能级EF高于0，则在0和EF之间的 能级基本上被电子填满，表面带负电。这样半 导体表面附近必定出现正电荷，成为正的空间 电荷区，结果形成电子的势垒，并使B0增加。
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9.1.4 电流-电压关系
金属半导体结中的电流输运
机制，不同于pn结中少数载
流子决定电流的情况，而是
A*T
2
e
B0
kT
所以流过势垒的总电流：
J
Jsm
Jms
[
A*T
e2
Bn
kT
][e
eVa kT
1]
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33
A*
4emn*k 2
h3
是热电子发射的有效理查得常数
J sT
A*T
e2
eBn kT
A T e e *
2
eB 0 kT
e kT
(Bn是由镜像力降低引起的。Bn B0 ）
qVa
J J sT (e kT 1)
37
Figure 9.10
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38
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39
2.两种二极管正偏时的特性也不同，肖特基二极管的开 启电压低于pn结二极管的有效开启有效开启电压。
3.二者的频率响应特性，即开关特性不同。
pn结从正偏转向反偏时，由于正偏时积累的少数载流 子不能立即消除，开关速度受到电荷存储效应的限制； 肖特基势垒二极管，由于没有少数载流子存储，可以 用于快速开关器件，开关时间在皮秒数量级，其开关 速度受限于结电容和串联电阻相联系的RC延迟时间常 数。工作频率可高达100GHz.而pn结的开关时间纳 秒数量级
B0=m- 半导体导带中的电子向金属中移动存在势 垒Vbi ，Vbi就是半导体内的内建电势
Vbi B0 (EC EF ) FB B0 n
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7
• 外加电压后，金属和半导体的费米能级不再相同， 二者之差等于外加电压引起的电势能之差。
• 金属一边的势垒不随外加电压而变，即：B0不变。 • 半导体一边，加正偏，势垒降低为Vbi-Va • 反偏势垒变高为：Vbi+VR
求肖特基势垒的高度
解：Ge： 4.13eV
Ws Eg (EF EV )
Ws
Eg
kT ln
NV NA
WGe
4.13 0.67 0.026 ln
5.7 1018 1017
4.69eV
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WAl 4.28eV ,WAu 5.1eV
WAl WGe, 形成整流接触;
ns Eg Wm 0.67 4.13 4.28 0.52eV
考虑一个电子从半导体体内进入到耗尽区，
如果该电子具有指向界面方向的速度 x ,
并且 x满足：
1 2
mn*
2 x
e(Vbi
Va )
这一电子就能越过表面势垒并进入金属。
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m i n
J sm e xn(x )dx
对于非简并半导体，可以证明：
n(x )
(
4k T mn*
h3
2
EF EC
(xn x
1 2
x2)
eB0
20
Figure 9.4
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• 镜像力的势能将叠加到理想肖特基势垒上， 势能在x= xm处出现最大值，（镜像力和 电场力平衡的地方），说明镜像力使肖特 基势垒顶向内移动，并且引起势垒高度降 低，这就是肖特基势垒的镜像力降低现象， 又叫做肖特基效应。
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