金属半导体和半导体异质结

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。
9.2 金属半导体的欧姆接触
9.2 金属半导体的欧姆接触
金属与P型半导体接触：m> s
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，
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 为受主型表面态。
• 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

min
对于非简并半导体，可 以证明： 4kTm n( x ) ( 3 h
min * n 2
)e
E F EC kT
e
* 2 mn x 2 kT
J s m e x n( x )d x [ A*T 2 e
e Bn kT
e
qVa kT
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 J m s (Va ) J m s (Va 0) 在平衡条件下，穿过势 垒的 J m s (Va 0) J s m (Va 0) A T e
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
Vbi B0 ( EC EF ) FB B0 n
• 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。
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
Figure 9.1
m>s
两个方向都存在 电子流动的势垒
金属中的电子向半导体中运动存在势垒B0
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
7.1 金属和半导体接触及其能带图
金 属 和 型 半 导 体 接 触 的 平 衡 态 能 带 图 p
整流接触
欧姆接触
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（界面） EFM Wm C
Figure 9.10
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
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 dE ( x) eNd 泊松方程： dx s s

0
E
dE
xn
eNd
x
s
dx
E
eNd
s
x 0
( xn x )
( x)
eNd
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。 肖特基二极管钳制 npnBJT的电路图
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
0 s
1 2
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
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
解：Ge： 4.13eV Ws E g ( EF EV ) NV Ws E g kT ln NA 5.7 10 WGe 4.13 0.67 0.026 ln 4.69eV 17 10
m E0 E F M
[从3.66eV ( Mg ) ~ 5.15eV ( Ni )]
半导体的亲和势
s E0 E（表面） C
半导体的功函数 Ge, Si, GaAs: 4.13,4.01,4.07eV
S s [ EC EF 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
ns EFM EV (界面）
（EC EV） （Ec (界面） EFM） E g Wm
7.1 金属和半导体接触及其能带图 结论
n形半导体 p形半导体
Wm>Ws Wm<Ws
整流接触 欧姆接触
欧姆接触 整流接触
例2：受主浓度为NA=1017cm-3的p型Ge, 室温下
将使能带图发生变化。
• 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
实际的MS接触
在MS接触下方半
导体的重掺杂有助
Figure 9.4
• 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。
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
s
( xn x)dx
eNd
s
取金属的电势为0势能点 1 2 ( xn x x ) B 0 2
2 sVbi 1 W xn [ ]2 eNd
类比p+n单边突变结得出
结电容：
e s N d C [ ] W 2(Vbi VR ) 1 2 2(Vbi VR ) ( ) C e s N d
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，反之，仅有一小的势垒
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 结论：M<s形成欧姆接触
第九章 金属半导体和 半导体异质结
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
9.1 肖特基势垒二极管
肖特基势垒二极管示意 图
9.1.1 性质上的特征
Байду номын сангаас
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
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 金属的功函数
* 2
B 0
kT
所以流过势垒的总电流 ： J J s m J m s [ A*T 2 e

Bn
kT
][e
eVa kT
1]
* 2 4 em * nk A 是热电子发射的有效理 查得常数 3 h
J sT A*T 2 e
qVa kT

e Bn kT
A*T 2 e
J J sT (e
qV kT
1)
qD n J s ( ) NA ND

2 n i
qDp ni2
肖特基
qVa kT
* 2 J A T e 1) sT
b
kT
A*T 2e

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,
• 半导体一边，加正偏，势垒降低为Vbi-Va
• 反偏势垒变高为：Vbi+VR
正偏
反偏
肖特基二极管：正偏金属的电势高于半导体
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，