第9章 金属半导体和半导体异质结
半导体物理与器件基础知识
9金属半导体与半导体异质结一、肖特基势垒二极管欧姆接触：经过金属 - 半导体的接触实现的连结。
接触电阻很低。
金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上涨。
之间形成势垒为肖特基势垒。
在金属与半导体接触处，场强达到最大值，因为金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。
影响肖特基势垒高度的非理想要素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。
金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程降落曲线。
附图：电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输体制不一样于 pn 结的少量载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多半载流子经过热电子发射跃迁过内建电势差形成。
附肖特基势垒二极管加反偏电压时的 I-V 曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是因为势垒降低的影响。
肖特基势垒二极管与 Pn 结二极管的比较： 1. 反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于 Pn 结二极管的有效开启电压。
2. 开关特征肖特基二极管更好。
应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。
从正偏到反偏时也不存在像 Pn 结器件的少量载流子储存效应。
二、金属 - 半导体的欧姆接触附金属分别与 N 型 p 型半导体接触的能带表示图三、异质结：两种不一样的半导体形成一个结小结：1. 当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很简单从半导体流向金属，称为热电子发射。
2.肖特基二极管的反向饱和电流比 pn 结的大，所以达到同样电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。
10双极型晶体管双极型晶体管有三个混杂不一样的扩散区和两个Pn 结，两个结很近所以之间能够相互作用。
之所以成为双极型晶体管，是应为这类器件中包括电子和空穴两种极性不一样的载流子运动。
一、工作原理附 npn 型和 pnp 型的构造图发射区混杂浓度最高，集电区混杂浓度最低附惯例 npn 截面图造成实质构造复杂的原由是： 1. 各端点引线要做在表面上，为了降低半导体的电阻，一定要有重混杂的 N+型掩埋层。
半导体物理与器件-第九章 金半接触和半导体异质结
exp
eB
kT
0
exp
e
kT
反向电流随反偏电压的增加 而增加是由于势垒降低的影响。
14
9.1肖特基势垒二极管 与PN结比较
区别１．反向饱和电流的数量级
肖特基势垒二极管的反向饱和电流密度：
理想pn结二极管的反向饱和电流密度：
1、电流输运机制不同，pn结中的电流是由少数载流子的扩散运动决定的，
4
dn gc E fF E dE
E Ec
1 2
mn*v
2
e
Vbi
Va
2mn* h3
32
E
-
Ec
exp
E
EF kT
dE
E Ec e Vbi Va Ec'
Jsm
e
vdn
Ec'
有效理查
德森常数
13
9.1肖特基势垒二极管 电流电压关系
Bn B0
J sT
A*T
2
电子亲和能：使半导体导带底的电子逸 出体外所需要的最小能量
与电子电量的商。
9.1肖特基势垒二极管
5
9.1肖特基势垒二极管
肖特基势垒：
内建电势差：
由于m s， 半导体的费米能级高于金属的费米能级， 由热平衡要求， 接触后， 半导体中的电子流向金属，
带正电的离子留在半导体中， 从而形成空间电荷区。
肖特基二极管的开关时间远小于pn结二极管的开关时间。
17
9.2金属-半导体的欧姆接触
欧姆接触是金属与半导体的接触，这种接触 不是整流接触，而是接触电阻很低的结，理想状 态下，欧姆接触所形成的电流是电压的线性函数。
两种欧姆接触： 1. 非整流接触--使表面不产生势垒的接触 2. 隧道效应
半导体物理与器件习题
半导体物理与器件习题目录半导体物理与器件习题 (1)一、第一章固体晶格结构 (2)二、第二章量子力学初步 (2)三、第三章固体量子理论初步 (2)四、第四章平衡半导体 (3)五、第五章载流子输运现象 (5)六、第六章半导体中的非平衡过剩载流子 (5)七、第七章pn结 (6)八、第八章pn结二极管 (6)九、第九章金属半导体和半导体异质结 (7)十、第十章双极晶体管 (7)十一、第十一章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础 (8)十二、第十二章MOSFET概念的深入 (9)十三、第十三章结型场效应晶体管 (9)一、第一章固体晶格结构1．如图是金刚石结构晶胞，若a 是其晶格常数，则其原子密度是。
2．所有晶体都有的一类缺陷是：原子的热振动，另外晶体中常的缺陷有点缺陷、线缺陷。
3．半导体的电阻率为10-3～109Ωcm。
4．什么是晶体？晶体主要分几类？5．什么是掺杂？常用的掺杂方法有哪些？答：为了改变导电性而向半导体材料中加入杂质的技术称为掺杂。
常用的掺杂方法有扩散和离子注入。
6．什么是替位杂质？什么是填隙杂质？7．什么是晶格？什么是原胞、晶胞？二、第二章量子力学初步1．量子力学的三个基本原理是三个基本原理能量量子化原理、波粒二相性原理、不确定原理。
2．什么是概率密度函数？3．描述原子中的电子的四个量子数是：、、、。
三、第三章固体量子理论初步1．能带的基本概念◼能带（energy band）包括允带和禁带。
◼允带（allowed band）：允许电子能量存在的能量范围。
◼禁带（forbidden band）：不允许电子存在的能量范围。
◼允带又分为空带、满带、导带、价带。
◼空带（empty band）：不被电子占据的允带。
◼满带（filled band）：允带中的能量状态（能级）均被电子占据。
导带：有电子能够参与导电的能带，但半导体材料价电子形成的高能级能带通常称为导带。
价带:由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的低能级能带通常称为价带。
第九章半导体异质结结构
2.考虑界面态时的能带图 通常制造突变异质结时，是把一种半导体材料在和它具有 相同的或不同的晶格结构的另一种半导体材料上成长而成 。生长层的晶格结构及晶格完整程度都与这两种半导体材 料的晶格匹配情况有关。表9-2列出若干半导体异质结的 晶格失配的百分数
School of Electronic Engineering & Optoelectronic Techniques
当悬挂键起受主作用时，则pn、np、pp异质结的能带图 如图9-9中的（d）（e）（f）图所示。 以上讨论可知，当两种半导体的晶格常数极为接近时，晶 格间匹配较好，一般可以不 考虑界面态的影响。但是在 实际中，即使两种半导体材 料的晶格常数在室温时相同 ，但考虑它们的热膨胀系数 不同，在高温下，也将发生晶格适配从而产生悬挂键，在
对式（9-21）、式（9-22）积分得
V1(x)
qN A1 x 2
21
qN A1 x1 x
1
D1
V2 (x)
qND2 x2
2 2
qND2 x2 x
2
D2
在热平衡条件下，异质结的接触电势差VD为
VD V2 (x2 ) V1(x1)
而VD在交界面p型半导体一侧的电势差为
VD1 V1(x0 ) V1(x1)
0
(9-20)
C1
qN A1x1
1
, C2
qND2 x2
2
因此，式（9-17）、式（9-18）为
dV1(x) qN A1(x x1)
(9-21)
dx
1
dV2 (x) qND2 (x2 x)
第九章半导体异质结结构
汇报人：XX
目录
• 异质结基本概念与特性 • 异质结制备技术与方法 • 异质结器件物理基础 • 异质结在光电器件中应用 • 异质结在微纳电子器件中应用 • 异质结性能优化与未来发展趋势
01
异质结基本概念与特性
异质结定义及分类
定义
由两种或两种以上不同半导体材料组 成的结，称为异质结。
异质结界面态与缺陷
界面态
异质结界面处存在悬挂键、界面电荷等界面态，对异质结的电学性能和稳定性 产生重要影响。
缺陷
异质结在制备过程中可能引入位错、层错等缺陷，影响异质结的晶体质量和电 学性能。
典型异质结材料及性质
Si-Ge异质结
具有高迁移率、低噪声等优点，广泛应用于高速 、高频电子器件。
GaAs-AlGaAs异质结
异质结发光二极管原理
通过异质结的能带结构和载流子限制作用，实现电子 和空穴的复合发光。
常见异质结发光二极管结构
如GaN基异质结发光二极管、量子点/有机物异质结发 光二极管等，具有高亮度、高色纯度等优点。
光电探测器中的异质结结构
异质结光电探测器原理
利用异质结的能带结构和内建电场，实现光 信号到电信号的转换。
和选择性。
MEMS器件
03
将异质结结构与MEMS技术相结合，实现微型化、集成化的生
物传感器件。
其他微纳电子器件中的异质结应用
光电探测器
利用异质结的能带结构和光电效应，实现高性能的光电转换。
太阳能电池
通过设计异质结的能级匹配和光吸收特性，提高太阳能电池的转 换效率。
热电转换器件
利用异质结的热电效应，实现热能和电能之间的转换。
04
异质结在光电器件中应用
金属半导体异质结光热效应
金属半导体异质结光热效应
金属半导体异质结光热效应是指当金属半导体异质结受到光照时，由于光子的能量被吸收，导致异质结内部温度升高，从而引起电子和空穴的激发，产生电子-空穴对，进而产生电流。
这种效应是一种非常重要的光电转换效应，广泛应用于太阳能电池、光电探测器、光电开关等领域。
金属半导体异质结是由金属和半导体两种材料组成的结构。
在这种结构中，金属的导电性能很好，而半导体的导电性能较差。
当两种材料相接触时，由于它们的能带结构不同，会形成一个能带弯曲的区域，这就是异质结。
在异质结中，由于金属和半导体的电子浓度不同，会形成一个内建电场。
当光照射到异质结上时，光子的能量被吸收，会导致内建电场的强度发生变化，从而改变了异质结中的电子和空穴浓度分布。
当光照射到金属半导体异质结上时，光子的能量被吸收后会转化为热能，并使异质结内部温度升高。
当温度升高到一定程度时，会激发出一些电子和空穴，这些电子和空穴会在内建电场的作用下分别向异质结两端运动。
由于金属的导电性能很好，因此在异质结中形成了一个导电通道，使得电流得以产生。
金属半导体异质结光热效应是一种非常重要的光电转换效应。
在太阳能电池中，利用这种效应可以将太阳能转化为电能；在
光电探测器中，可以利用这种效应检测光信号；在光电开关中，可以利用这种效应控制电路的开关状态。
总之，金属半导体异质结光热效应是一种非常重要的光电转换效应，具有广泛的应用前景。
随着科学技术的不断进步，相信这种效应将会在更多领域得到应用，并为人类带来更多福祉。
第九章半导体异质结结构
第九章半导体异质结结构第九章介绍了半导体异质结结构。
半导体异质结由两种或多种不同的半导体材料组成，具有不同的能带结构和能带差。
半导体异质结具有许多特殊的物理性质和应用。
在异质结中，由于不同材料的特性差异，电子在结界面上会积聚形成电子气，形成能带弯曲现象。
这种能带弯曲会产生一些二维电子气体性质，如高电子迁移率、量子阱、量子井和量子点等。
半导体异质结结构常用的材料有Si/GaAs、GaAs/AlAs等。
这些异质结结构的制备都需要使用分子束外延(MBE)、金属有机气相沉积(MOCVD)等高精度的制备技术。
半导体异质结结构的性质和应用包括以下几个方面：1.能带偏移和势垒形成：两种不同半导体材料的相邻能带会发生偏移，从而形成一个势垒。
这个势垒可以用来限制电子和空穴的运动方向，实现电子和空穴的分离和控制，从而用于制备二极管、太阳能电池等器件。
2.量子阱和量子井：通过在半导体异质结中形成非常薄的势垒层，可以限制电子和空穴在其中一方向上的运动，形成二维或零维电子气体。
这些二维和零维电子气体被称为量子阱和量子井，具有特殊的量子效应，如量子谐振子，可以制备激光器、光电器件等。
3.量子点：在半导体异质结界面上形成三维限制的势垒结构，可以限制电子和空穴在三个方向上的运动，形成零维的量子点结构。
量子点具有量子限制效应，能够实现对电子和光的精确控制，广泛应用于激光器、光电转换器等领域。
4.型谱学研究：通过在半导体异质结中引入不同材料，可以实现特定能带结构的调控。
通过对其吸收光谱、光致发光谱、拉曼散射谱进行研究，可以了解材料的能带结构和物理性质，为半导体器件的制备和应用提供基础。
半导体异质结结构在工业和科研领域有着广泛的应用。
例如，激光器是典型的半导体异质结结构应用。
利用半导体异质结导致的能带差，可以在激光器中实现可控的电子和空穴注入和互相复合，从而产生激光输出。
激光器广泛应用于通信、医疗、显示和材料加工等领域。
此外，半导体异质结结构还在半导体光电转换器件中得到应用。
微电子器件原理2014年下期知识点小结资料
重要知识点PN结：半导体的一个区均匀掺杂了受主杂质，而相邻的区域均匀掺杂了施主杂质，这种PN结称为同质结。
在冶金结两边的p区与n区内分别形成了空间电荷区或耗尽区，该区内不存在任何可以移动的电子或空穴。
由于耗尽区内存在净空间电荷密度，耗尽区内有一个电场，电场方向由n区指向p区。
空间电荷区内部存在电势差，在零偏压的条件下，该电势差即内建电势差维持热平衡状态，并且在阻止n区内多子电子向p区扩散的同时，阻止p区内多子空穴向n区扩散。
PN结的反偏电压增加了势垒的高度，增加了空间电荷区的宽度，并且增强了电场。
理想PN结的电流-电压推导的4个假设基础：①耗尽层突变近似；②载流子的统计分布采用麦克斯韦-玻尔兹曼近似；③小注入假设；④ PN结内的电流值处处相等；PN结内的电子电流与空穴电流分别为连续函数；耗尽区内的电子电流与空穴电流为恒定值。
PN结二极管：当pn结外加正偏电压时（p区相对于n区为正），pn结内部的势垒就会降低，于是p区空穴与n区电子就会穿过空间电荷区流向相应的区域。
注入到n区内的空穴与注入到p区内的电子成为相应区域内的过剩少子。
过剩少子的行为由双极输运方程描述。
由于少子浓度梯度的存在，pn结内存在少子扩散电流。
反偏pn结的空间电荷区内产生了过剩载流子。
在电场作用下，这些载流子被扫出了空间电荷区，形成反偏产生电流。
产生电流是二极管反偏电流的一个组成部分。
pn结正偏时，穿过空间电荷区的过剩载流子可能发生复合，产生正偏复合电流。
复合电流是pn结正偏电流的另一个组成部分。
当pn结的外加反偏电压足够大时，就会发生雪崩击穿。
此时，pn结体内产生一个较大的反偏电流。
击穿电压为pn结掺杂浓度的函数。
在单边pn结中，击穿电压时低掺杂一侧掺杂浓度的函数。
当pn结由正偏状态转换到反偏状态时，pn结内存储的过剩少数载流子会被移走，即电容放电。
放电时间称为存储时间，它是二极管开关速度的一个限制因素。
将热平衡状态下P区内少子电子的浓度与N区内多子电子的浓度联系在了一起。
半导体物理第九章
1. 异质结及其能带 2. 异质结的电流输运
3. 异质结的应用
4. 半导体的超晶格
1异质结及其能带
概念
由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的pn结，通常称为同质结。
而由两种不同的半导体单晶材料组成的结，则称为 异质结。 异质结的结构特点 异质结是由两种不同的半导体单晶材料形成的， 根据这两种半导体单晶材料的导电类型分类
27
② 正反向势垒情形 这时在交界面处禁带宽度大的半导体的势垒“尖峰”，高于异质结势
垒区外的禁带宽度小的半导体材料的导带底，称为正反向势垒。
qVB= qVD2－ (EC –qVD1) 热平衡时，异质结势垒区两侧克服各自势垒到对方去的电子数相等。
(a)零偏压和(b)正向偏压下正反向势垒扩散和发射模型能带图
o
qVD
如在杂质浓度ND1>>ND2 ，类似于计算金属半导体接触间的电 qN 容方法，得到每单位面积结电容公式为： C [ 2 D 2 ]1 / 2
2(VD V )
21
2 异质结的电流输运机构
影响异质结电流运输机制的特殊原因
形成异质结的两种半导体的交界面处能带是不连续 的。
两种半导体材料的晶格结构、晶格常数、热膨胀系 数的不同和工艺技术等原因，会在交界曲处引入界 面态及缺陷。
(a)零偏压和(b)正向偏压下负反向势垒扩散和发射模型能带图
24
(a)零偏压和(b)正向偏压下负反向势垒扩散和发射模型能带图
正偏下
25
(a)零偏压和(b)正向偏压下负反向势垒扩散和发射模型能带图
P型区注入的小数载流子浓度连续性运动方程
解之得
26
(a)零偏压和(b)正向偏压下负反向势垒扩散和发射模型能带图
第九章IIVI族化合物半导体
II-VI族化合物在熔点其蒸气压和解离度较大，且在远 低于它们的熔点时，就分解为挥发性组元，因此晶体 只能在高压力下从熔体生长。
例如：CdS在100大气压1470℃才熔化，ZnS亦需在
几十大气压1830℃才熔化，CdTe需要的压力较低，在
大气压下1090℃下即可熔化。
与Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料比较Ⅱ-Ⅵ族化合物有 以下一些特点：
(1)Ⅱ族元素和Ⅵ族元素在周期表中的位置相距比Ⅲ族 和Ⅴ族的大，故Ⅱ-Ⅵ族的负电性差值大，其离子键成 分比Ⅲ-Ⅴ族化合物大。
(2)禁带宽度变化范围大，具有直接跃迁的能带结构等 优点。因此在固体发光、激光、红外、压电效应等器 件方面都有着广泛的应用。
第九章IIVI族化合物半导体
1
(3)Ⅱ-Ⅵ族化合物熔点较高，在熔点下具有一定的气 压，而且组成化合物的单质蒸汽压也较高。
制备Ⅱ-Ⅵ族化合物的完整单晶体比较困难；除CdTe 可以生成两种导电类型的晶体外，其它均为单一的 导电类型，而且多数为N型，很难用掺杂方法获得P 型材料。这是由于Ⅱ-Ⅵ族化合物晶体内点缺陷密度 大，易发生补偿效应。
Mi、Vx、XM Fi（F是正电性元素，如金属）
Xi、VM、 Mx Fi（F是负电性元素）
FM（F的原子价>M的原子价） Fx（F的原子价>X的原子价）
FM（F的原子价<M的原子价） Fx（F的原子价<X的原子价）
Fi表示外来原子F进入MX化合物晶格中间隙位置，成 为间隙原子；FM表示外来原子F进入MX化合物晶格后 占据格点M的位置；占据格点X位置，则称Fx。
第九章IIVI族化合物半导体
31
x<0.5时，Eg/dT>0 ，禁 带宽度随温度升高而增加；
第九章 半导体异质结
当半导体表面存在足够大的界面态时，半导体表面的状态完全由界面态电 荷决定，与功函数等没有关系。
⑴ 当表面态为施主态时：（被电子占据时呈电中性，释放电子后呈正电性）
对于n型半导体：
E
电子积累
正
在半导体表面处形成很薄的多子积累层。
电
荷
高低
二、计入界面态的影响
对于P型半导体：
在半导体表面形成耗尽 层，层内电荷为电离受主。 该耗尽层很厚，其厚度由掺 杂浓度决定。
(c)
二、计入界面态的影响
界面态不同，在界面形成的势垒也不同，此时 界面态起决定性的作用，而界面两侧半导体材料的 固有性质（如功函数、电子亲和能、介电常数等） 对界面势垒没有影响，这是由于界面态上大量电荷 的屏蔽作用所致。
三、突变反型异质结的接触电势差
设：构成异质结的两种半导体材料即P型和N型中的杂质都是均匀分布的，其
第九章
半导体异质结的组成与生长
第九章 Part 1
9.1 半导体异质结的一般性质 9.2 半导体异质结的能带结构 9.3 异质PN结的注入特性 9.4 理想突变异质结的伏安特性
9.1 半导体异质结的一般性质
由两种不同的半导体单晶材料形成的PN结称为异质结。
1951年由Gubanov首先提出了异质结的概念；
B1
VD Va
1/2
式中第一项为由界面态影响在空间电荷区产生的电荷量，第二项为不考虑界 面态时的空间电荷区电荷量。
二、计入界面态的影响
分析空间电荷区宽度的变化：
令L1=x0-x1, L2=x2-x0，L1、L2为P区和N区的耗尽层宽度，
则 Q1、Q2可改写为：
qNAL1 qNDL2
1NAQIS 1NA 2ND
半导体物理与器件第九章金属半导体和半导体异质结
Ec
Ev
半导体物理与器件
e
em
EF
es
Ec EFi EF Ev
P型（半导体）欧姆 Bp 接触：金属功函数大 于半导体的功函数 EF
e
Ec EFi EF Ev
EF
P型欧姆接触往往 采用功函数较大的 金属，如Pt
en
Ec Ev 偏压下电子在金属半导体界面传输时， EF 遇到的势垒很小
Ec Ev
和pn结相同的电流 变化规律
半导体物理与器件
其中：
J sT
eBn A T exp kT
* 2
称为肖特基结二极管的反向饱和电流密度。式中 фBn通常即为理想情况下的肖特基势垒高度фB0， 对于硅材料来说，有效理查逊常数为 A*=120A/cm2K2，对于砷化镓材料来说，则为 A*=1.12A/cm2K2。
半导体物理与器件
理想情况下，我们选用功 函数合适的金属和半导体 就可以形成欧姆接触，但 实际Si、Ge、GaAs这些 半导体的表面都有很高的 表面态密度，无论是N型材 料还是P型材料的接触都无 法有效降低势垒，因而这 种方法通常并不成功
半导体物理与器件
其他的欧姆接触方法
高复合接触可以形成欧姆接触 可以在半导体表面掺入高浓度的复合中心， 来制成欧姆接触；这是因为高浓度的复合-产生中 心使得过剩载流子的寿命非常短，有维持载流子 浓度为平衡值的作用。 不过这种方法由于接触处高浓度的复合中心 或结构缺陷的存在，会影响工作区的性质，因而 只可用于体型结构较大的器件，这种器件接触区 距离工作区较远。
隧道电流和势垒高 度也有关系
掺杂浓度增大，隧 道几率增大 有效质量越小，越 利于隧穿
半导体物理与器件
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q B q(m )
3
q(m )
EF
高等半导体物理与器件
当金属与金属半导体紧密接触时，两种半体导不同材料EV的费米能级在热平
衡时应相同，此外，真空能级也必须连续。这两项要求决定了
(a) 热平衡情形下，一独立金属靠近一独立 n 型半导体的能带图
1
两种器件的输运机制不同：肖特基二极管-多数载流子通过热电
子发射跃过内建电势差，pn结二极管-少数载流子扩散运动。
J sT
AT
2
exp
eBn
kT
Js
eDp pn0 Lp
eDnnp0 Ln
• 两者间有两点重要区别：第一是反向饱和电流密度的数量级。
①肖特基二极管的理想反向饱和电流值比pn结大好几个数量级。
• 肖特基二极管电流主要取决于多数载流子流动。
2
高等半导体物理与器件
（1）性质上的特征
真空能级
em
EF
e e B0
es
Ec EF
金属
Ev 半导体
(a)热平衡情形下，一独立金属靠近一独立 n 型半导体的能带图
➢ 真空能级作为参考能级。
➢ 功函数为费米能级和真空能级之差。金属功函数m，半导体
功函数s。此处，m>s。
匹配。
18
高等半导体物理与器件
（2）能带图
• 根据带隙能量的关系，异质结有3种可能：跨骑（图 (a)）、交错（图(b)）、错层（图(c)）。
• 根据掺杂类型的不同，有4种基本类型的异质结：
– 反型异质结：掺杂类型变化，例nP结、Np结 – 同型异质结：掺杂类型相同，例nN结、pP结 – 其中，大写字母表示较宽带隙的材料
• 肖特基二极管是多子导电器件，其正偏时不产生扩散电容— —高频器件；正偏转向反偏时，也不存在少子的存储效应— —快速开关器件。
12
高等半导体物理与器件
9.2 金属-半导体的欧姆接触
• 欧姆接触
– 接触电阻很低 – 在金属和半导体两边都能形成电流 – 形成的电流是电压的线性函数，电压要低
• 两种常见欧姆接触：
②肖特基二极管的有效开启电压低于pn结二极管。
11
高等半导体物理与器件
• 右图为肖特基二极管和pn结二极 管的正偏I-V特性曲线比较。
• 肖特基二极管的有效开启电压低 于pn结二极管的有效开启电压。
• 主要原因是掺杂具有不同的势垒高 度函数，但还存在着其他主要的不 同。
• 肖特基二极管与pn结二极管的第二个主要不相同点：频率响 应，即开关特性。
Js m
EF
Ec EF
Ec EF
Ev
Ec
Ev
(a) 热平衡
(b) 正向偏压
(c) 反向偏压 Ev
正偏时，跨越势垒的静热电电势子差发射降过低程，的因电流此输表运面电子浓度增加；
而由金属流向半导体的电子流量维持不变。
9
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J
AT
2
exp
eBn
kT
exp
eVa kT
1
A
4 emnk 2
h3
其中Bn是实际肖特基势垒高度，A*是热电子发射的有效理查德森常
数。上式改写为
肖特
J
J sT
exp
eVa kT
1
基势 垒二 极管 加反
JsT是反向饱和电流密度，表示为
J sT
AT
2
exp
eBn
kT
偏电 压时 的典 型I-
V曲
肖特基势垒高度Bn的变化是由镜像
线
力降低引起的。由Bn=B0-△。则
（4）电流-电压关系
• pn结电流：少数载流子决定 • 金属半导体结中的电流：多数载流子决定 • n型半导体整流接触的基本过程：电子运动通过
势垒，热电子发射理论。 • 热电子发射理论假设：势垒高度远大于kT，玻
尔兹曼近似，热平衡不被打破。
8
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Jm s
Js m
Jm s
Js m
Jm s
高等半导体物理与器件
高等半导体物理 与器件
第9章 金属半导体和半导体异质结
高等半导体物理与器件
本章内容
• 肖特基势垒二极管 • 金属-半导体的欧姆接触 • 异质结
1
高等半导体物理与器件
9.1 肖特基势垒二极管
• 异质结：两种不同材料组成的结。 • 金属-半导体接触
– 欧姆接触：接触电阻很低，结两边都能形成电流 – 整流接触：肖特基二极管，多发生在金属-n型半导体接触
的平方根成反比。
W
xn
2s
1/2
Vbi VR
eNd
• 随着掺杂浓度增加，耗尽层宽度减小，隧道效应增
强；例重掺杂半导体耗尽层厚度数量级为埃，隧道
电流是结中的主要电流。
• 隧道电流为：
Jt
exp
eBn
E00
其中
E00
eh 2
Nd
smn
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高等半导体物理与器件
（3）比接触电阻
• 欧姆电阻的优势在于接触处电阻RC，定义：在零偏压时，电 流密度对电压求导的倒数，即
4
高等半导体物理与器件
➢ 图(a)为零偏情况下金属-n型半导体 接触能带图。热平衡，两种材料间 具有相同的费米能级。
➢ 图(b)为正偏情况（金属上施以相对 于n型半导体为正的电压），半导 体到金属的势垒高度将降低Va，使 电子变得更易从半导体进入金属 ， 正偏电流方向从金属流向半导体。
n 型半导体
eB0
eVbi
xn
(a) e(Vbi Va )
eVF
xn (b)
Ec EF
Ev
热
衡
正
➢ 图(c)为反偏情况，将使得势垒提高 了VR。因此对电子而言，将变得更 难从半导体进入金属中。
e(Vbi VR ) eVR
➢ B0保持不变。
(c) xn
反
图 6. 4 不同偏压情况下，金属与5
高等半导体物理与器件
J sT
AT
2
exp
eB
kT
0
exp
e
kT
反向电流随着反偏电压的增加 而增大是由于势垒降低的影响。
10
高等半导体物理与器件
（5）肖特基势垒二极管与pn结二极管的比较
• 理想肖特基二极管的I-V关系形式上与pn结二极管的相同：
J
MS
J sT
exp
eVa kT
1
J
pn
Js
exp
eVa kT
（2）理想结的特性 处理pn结相同方法来确定异质结静电特性
空间电荷区的电场用泊松方程表示为：
dE x
dx s
假设半导体均匀掺杂，则：
E
eNd
s
dx
eNd x
s
C1
C1是积分常数。由于半导体空间电荷区边界电场强度E(xn)=0：
C1
eNd xn
s
E
eNd
s
dx
eNd
s
x xn
均匀掺杂半导体，场强是线性函数，金属与半导体接触处，场
– 非整流接触 – 隧道效应
13
高等半导体物理与器件
（1）理想非整流接触势垒
• m<s，金属与n型半导体形成的接触
考虑表面态影响，无法 形成良好的欧姆接触
接 触 前
接热 触平 后衡
• m>s，金属与p型半导体形成的接触
接 触 前
接热 触平 后衡
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（2）隧道效应
• 金属-半导体接触的空间电荷宽度与半导体掺杂浓度
• 掺杂浓度较低时，RC由势垒高度决 定，与掺杂浓度基本无关。
• 图中还绘出了实验数据。
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高等半导体物理与器件
9.3 质结
（1）形成异质结的材料
• 异质结由两种具有不同禁带宽度的材料组成。 • 结表面的能带是不连续的。 • 突变结：半导体由一个窄禁带宽度材料突变到宽禁
带宽度材料形成的结。 • 为形成一有用的异质结，两种材料的晶格常数必须
理想的金半接触独特的能带图，如图所示。
理想势垒高度
e
em e B0 e(m )
EF
eVbi e(m s ) e n
es
B0 （ 肖 特 基
Ec 势垒）：
EF B0 m
Ev
(b) 理想的金属与n型半导体结的能带图
半导体一侧，形成内建电势差Vbi：
Vbi B0 n
类似pn结中情况，为半 导体掺杂浓度的函数
强达到最大值。由于金属中场强为零，因此在金属-半导体结的
金属区中存在表面负电荷。
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高等半导体物理与器件
与pn结计算方法相同W，结果与p+n结相同，均匀掺杂半导体：
W
xn
2s
1/2
Vbi VR
eNd
VR是所加反偏电压。运用突变结近似。 14
结电容的结果与p+n结也是相同： 12
1/ 2
小结
• 轻掺杂半导体与金属可形成整流接 触——肖特基二极管，能带图
• 理想肖特基二极管I-V特性肖特基 二极管与pn结二极管的比较
• 欧姆接触定义、两种类型 • 异质结类型、能带图
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高等半导体物理与器件
作业
• 9.4
23
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W - Si
C eNd
dxn dVR
2
e s
Vbi
Nd VR
10 8
1 C