金属半导体和半导体异质结
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第九章 金属半导体和 半导体异质结
精品课件
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
精品课件
9.1 肖特基势垒二极管
肖特基势垒二极管示意图
精品课件
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
精品课件
基本概念
精品课件
• 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
精品课件
正偏
反偏
精品课件
肖特基二极管：正偏金属的电势高于半导体
精品课件
S s [精E品C课件 E F S ] FB
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 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
q2
q2
F4k0(2x)216k0x2
镜像电荷
精品课件
电子
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
eN d s
(xnx
1 2
x2) B0
电势能为
- e (x)
e2 16
e2Nd x s 精品课件 s
为受主型表面态。
精品课件
• 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。
• 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。
• 若能级空着时呈电中性，而接受电子后呈负电，称
(xnx
1 2
x2)
eB0
Figure 9.4
精品课件
• 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。
精品课件
二、 界面态对势垒高度的影响
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
精品课件
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） EF
）
M
Eg Wm
精品课件
7.1 金属和半导体接触及其能带图
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
精品课件
7.1 金属和半导体接触及其能带图
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
精品课件
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
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
金属的功函数
m E0 EFM
[ 从 3 .66 eV ( Mg ) ~ 5 .15 eV ( Ni )]
半导体的亲和势
s
E0
E
（表面）
C
半导体的功函数 Ge , Si , GaAs : 4 . 13 , 4 . 01 , 4 . 07 eV
Ws
Eg
k Tln
NV NA
WGe
4.130.670.026ln
5.71018 1017
4.69eV
精品课件
WAl 4.28eV,WAu 5.1eV WAl WGe,形成整流接触 ;
ns Eg Wm 0.674.134.28 0.52eV
VD
ns
(EV q
EF )
0.52kTln
5.去除不重要的
精品课件
Figure 9.1
m>s
两个方向都存在 电子流动的势垒
精品课件
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。
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
V b i B 0 ( E C E F )F BB 0 n
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
精品课件
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，求
肖特基势垒的高度
Байду номын сангаас解：Ge： 4.13eV
Ws Eg (EF EV )
NA NV
0.41eV
WA
u
WG
形成欧姆接触
e,
精品课件
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 ) eN d
泊松方程： dE ( x ) eN d
dx s
s
0 dE
x n eN d dx
E
x s
E
eN d s
(xn
x)
( x )
x eN d 0 s
(xn
x )dx
eN d s
(xnx
1 2
x2) B0
取金属的电势为0势能点
W
xn
[ 2 sV bi eN d
1
]2
类比p精+品n课单件 边突变结得出
结电容：
C 0 s [
e s Nd
1
]2
W 2(Vbi VR )
( 1 )2 2(Vbi VR )
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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
精品课件
9.1 肖特基势垒二极管
肖特基势垒二极管示意图
精品课件
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
精品课件
基本概念
精品课件
• 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
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正偏
反偏
精品课件
肖特基二极管：正偏金属的电势高于半导体
精品课件
S s [精E品C课件 E F S ] FB
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 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
q2
q2
F4k0(2x)216k0x2
镜像电荷
精品课件
电子
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
eN d s
(xnx
1 2
x2) B0
电势能为
- e (x)
e2 16
e2Nd x s 精品课件 s
为受主型表面态。
精品课件
• 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。
• 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。
• 若能级空着时呈电中性，而接受电子后呈负电，称
(xnx
1 2
x2)
eB0
Figure 9.4
精品课件
• 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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二、 界面态对势垒高度的影响
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
精品课件
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） EF
）
M
Eg Wm
精品课件
7.1 金属和半导体接触及其能带图
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
精品课件
7.1 金属和半导体接触及其能带图
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
精品课件
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
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
金属的功函数
m E0 EFM
[ 从 3 .66 eV ( Mg ) ~ 5 .15 eV ( Ni )]
半导体的亲和势
s
E0
E
（表面）
C
半导体的功函数 Ge , Si , GaAs : 4 . 13 , 4 . 01 , 4 . 07 eV
Ws
Eg
k Tln
NV NA
WGe
4.130.670.026ln
5.71018 1017
4.69eV
精品课件
WAl 4.28eV,WAu 5.1eV WAl WGe,形成整流接触 ;
ns Eg Wm 0.674.134.28 0.52eV
VD
ns
(EV q
EF )
0.52kTln
5.去除不重要的
精品课件
Figure 9.1
m>s
两个方向都存在 电子流动的势垒
精品课件
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。
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
V b i B 0 ( E C E F )F BB 0 n
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
精品课件
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，求
肖特基势垒的高度
Байду номын сангаас解：Ge： 4.13eV
Ws Eg (EF EV )
NA NV
0.41eV
WA
u
WG
形成欧姆接触
e,
精品课件
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 ) eN d
泊松方程： dE ( x ) eN d
dx s
s
0 dE
x n eN d dx
E
x s
E
eN d s
(xn
x)
( x )
x eN d 0 s
(xn
x )dx
eN d s
(xnx
1 2
x2) B0
取金属的电势为0势能点
W
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[ 2 sV bi eN d
1
]2
类比p精+品n课单件 边突变结得出
结电容：
C 0 s [
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1
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( 1 )2 2(Vbi VR )