尼曼-半导体物理与器件第九章PPT课件

金属区中存在表面负电荷。
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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：
Wxn
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
CeNd
dxn dVR
2V ebisN V dR
1 C
2
2Vbi VR
esNd
10
e
理想势垒高度
em
eVbi e(m s )
es
B0 （ 肖 特 基
e B0 e(m ) EF
e n
Ec 势垒）：
EF
Ev B0m
(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：
VbiB0n
类似pn结中情况，为半 导体掺杂浓度的函数
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➢ 图(a)为零偏情况下金属-n型半导体
高等半导体物理 与器件
第九章 金属半导体和半导体异质结
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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
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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
可见势垒的峰值减小了，这种势垒减小的现象就是肖特基 效应。
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• 肖特基势垒减小△，最大势垒对应的xm可由下式求得
d e x 0
dx
• 得出
xm
e 16 S E
则
eE 4 S
界面态
• 右图为GaAs和Si的肖特基二极管 的势垒高度与金属功函数的关系。
• 曲线与理想势垒公式不相符。
• 金属-半导体的势垒高度由金属功 函数及半导体表面和接触面的状 态共同决定。
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• 假定金属与半导体之间存在 一条窄的绝缘层，形成电势 差，但电子在金属与半导体 间可自由流动。
• 金属与半导体的接触表面， 热平衡下，金属-半导体结的能带图及表面态 半导体呈现出表面态分布。
• 假定表面势0以下的状态是施主态，如表面出现电子，则将其
中和，如没电子，则呈现正电荷；以上的是受主态，如没电子， 则将其中和，如有电子，则呈现负电性。
dE x
dx s
假设半导体均匀掺杂，则：
E
eNd
s
dxeN sdxC1
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 eNsddxeNsdxxn
均匀掺杂半导体，场强是线性函数，金属与半导体接触处，场
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
接触
• 肖特基二极管电流主要取决于多数载流子流动。
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高等半导体物理与器件
（1）性质上的特征
真空能级
em
EF 金属
e B0
e
es
Ec EF
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。
➢ 金属功函数m，半导体功函数s；e为费米能级和真空能级
之差。此处，m>s。
Ev
热
衡
正
➢ 图(c)为反偏情况，将使势垒提高了 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
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图 6. 4 不同5偏压情况下，金属与
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（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：
n 型半导体
接触能带图。热平衡，两种材料间 eB0
eVbi
具有相同的费米能级。
➢ 图(b)为正偏情况（金属上施以相对
xn
(a)
于n型半导体为正的电压），半导
e(Vbi Va )
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。
eVF
xn (b)
Ec EF
无法预知，所以势垒高度是一个实验值。
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高等半导体物理与器件
（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
6
4
截距
2
W - Si W - GaAs
砷化镓肖特基二极管Vbi比硅二极管的大
0 1
0
1
2
3
4
V /V
7 . 图 6. 6 钨－硅与钨－砷化镓二极管的 1/ C 2 与外加电压V的关系图
（3）影响肖特基势垒高度的非理想中距离金属x处的电子能够形成电场，电场线与金属表 面必须垂直，与一个距金属表面同样距离（金属内部）的假 想正电荷（+e）形成的电场相同，这种假想的影响如下图所 示。
➢ 电子q亲m和能χ。eχ是q半导体qV导bi 带q(底m与真s ) 空能级的q差s 值。
q B q(m )
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3
m
EF
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金
半导
EV
当金属与属半导体紧密接触时，两种体不同材料的费米能级在热平
衡(a)时热应平衡相情同形，下，此一外独，立金真属空靠近能一级独也立 必n 型须半连导体续的。能带这图两项要求决定了 理想的金半接触独特的能带图，如图所示。
• 图中0以上EF以下的一些受主状态，表面态密度Dit态/cm2·eV，
则表面势、表面态密度及其他半导体参数的关系如下：
E g e 0 e B n e D 1 i t 2 e S N dB n n e D i i t m B n
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情况1： Dit→∞
• 关系式化简为
Bn
1 e
Eg e0
• 势垒高度由禁带宽度和0决定。势垒高度全部与金属功函数 和半导体电子亲和能无关，费米能级固定为表面势0。
情况2：Ditδ→0
• 关系式化简为
Bn m
即原始的理想表达式。
• 在半导体中，由于势垒降低的影响，肖特基势垒高度是电场
强度的函数。同时势垒高度也是表面态的函数，由于表面态
• 对电子的作用力取决于假想电荷的库仑引力
F
e2
4S 2x2
eE
• 电势的表达式为
x x E d x x 4 Se 2 x 2d x 1 6 e Sx
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• 电子的电势能为-e(x)；图（b）是假设不存在其他电场时
的电势能曲线。电介质中存在电场时，电势表达式修正为
x e Ex
16Sx • 恒定电场影响下，电子的电势能曲线如图（c）所示。由图