半导体器件原理第三章资料
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最低正向电压VF=1.35V、25℃
近年来，在太阳能发电系统、工业用各 种电源装置、电动汽车及家电等电力电 子领域，为提高功率转换效率以实现进 一步节能，更高效率的功率元器件产品 备受期待。SiC器件与以往的Si器件相比， 具有优异的材料特性，在这些领域中的 应用日益广泛。尤其是在服务器等这类 要求更高电源效率的设备电源中，SiCSBD产品因其快速恢复特性可有效提高 效率而被用于PFC电路来提高设备效率。
肖特基二极管是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半 导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正 向导通压降仅0.4V左右，而整流电流却可达到几千毫安。 这些优良特性是快恢复二极管（简称FRD）所无法比拟 的。
5
全球知名半导体制造商ROHM开 发出非常适用于服务器和高端计 算机等的电源PFC电路的、第3 代SiC（Silicon Carbide:碳化硅） 肖特基势垒二极管
q2
q2
镜像电荷
电子
F 4k0(2x)2 16k0 x2
金属 --真空系统
解 Ge电子亲和势为：χ=4.13 eV，耗尽区宽度为：
3.1肖特基势垒二极管
肖特基模型预言的势垒高度很难在实验中观察到 , 实测的势垒高度和理想条件存在偏差.
原因: 1)不可避免的界面层δ≠0 2)界面态的存在 3)镜像力的作用
3.1肖特基势垒二极管
影响肖特基势垒高度的非理想因素
1. 镜像力对势垒高度的影响（肖特基效应） 2. 界面态的影响
Χ：电子亲和能，单位伏特。从导带底将一个电子移到刚 巧该种材料之外的一个位置（真空能级）所需的能量。
参数 金属功函数 半导体功函数 电子亲和能 肖特基势垒 内建电势差
符号
m
s
B0
EF
Vbi
真空能级
em
e es
Ec
EF
EFi
金属的功函数和半导体的电子亲和能都是材
Ev
料本身的本征参数，它们都反映了材料中能
3.1肖特基势垒二极管
考虑金属与n型半导体接触
Φm> Φs
理想肖特基 势垒：带边 相对于参考 能级(真空电 子能级)位置
不变
接触前：半导体费米能级高 于金属，半导体中的电子流 向比它能级低的金属中，而 带正电的空穴仍留在半导体 中，从而形成一个空间电荷 区（耗尽层）。
参数ΦB0是半导体接触的理想 势垒高度（肖特基势垒）：
半导体导带中得电子向金属 中移动存在势垒Vbi，就是半 导体的内建电势差：
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
反偏情况下，半导体-金属势垒高度增大，金属一边的势垒
不随外加电压而改变，即：φB0不变。
反偏势垒变高为： Vbi + VR
半导体一边，加正偏，势垒降低为Vbi - Va 。 φB0仍然不
3.1肖特基势垒二极管
肖特基二极管是以其发明人华特‧肖特基博士（Walter Hermann Schottky，1886年7月23日—1976年3月4日）命 名的，SBD是肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode, 缩写成SBD）的简称。
SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理 制作的，而是利用金属与半导体整流接触形成的金属－半 导体结原理制作的。因此，SBD也称为金属－半导体（接 触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极 管。
半导体器件原理
Principles of Semiconductor Devices
第三章：金属半导体和半导体 异质结
刘宪云 逸夫理科楼229室
第三章：金属半导体和半导体异质结
3.1 肖特基势垒二极管 3.2 金属—半导体的欧姆接触 3.3 异质结 3.4 小结
2
能带图
Φ: 功函数，单位为伏特。从费米能级将一个电子移到刚 巧在该种材料之外的一个位置（真空能级）所需的能量。
净电流I，I随VA的增加而增加。 反偏：势垒升高，阻止电子从半导体向金属流动，金
属中的一些电子能越过势垒向半导体运动，但这一反 向电流很小。 结论： φM>φS时，理想的MS接触类似于pn结二极 管，具有整流特性。
理想结特性
用与处理pn结类似的方法来确定肖特基结的静电特性
dE x 空间电荷密度
dx s 半导体介电常数
假定半导体掺杂均匀
E
dE dx
eNd
s
dx
eNd x
s
C1
边界条件：x=xn时，E=0
C1
eNd xn
s
E
eNd
s
xn
x
空间电荷区宽度
Hale Waihona Puke Wxn2s
Vbi VR
eNd
1/ 2
在突变结近似的条件下求出空间电荷区宽度
单位面积的耗尽层电容
1/ 2
C'
eNd
dxn dVR
级相对于真空电子能级的相对位置。
部分金属和半导体的参数
元素 Ag Al Au Cr Mo Ni Pd Pt Ti W
功函数，Φm 4.26 4.28 5.1 4.5 4.6 5.15 5.12 5.65 4.33 4.55
元素 Ge Si GaAs AlAs
电子亲和能，χ 4.13 4.01 4.07 2.5
变。
可以看到在偏压下，肖特基结的势垒高度
变化情况与pn结类似
qb
q 0
qb
qV
q( 0 V )
耗尽层
（ b）
肖特基（ a势） 垒的能带图（a）未加偏压（b）加正向偏压
（c）加反向偏压
肖特基二极管：正偏时， 半导体中电子形成的势垒 减小，作为多子的电子更 容易从半导体流向金属。
φM>φS，整流接触 正偏：半导体势垒高度变低，电子从S注入M，形成
14
3.1肖特基势垒二极管 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；
镜像力和镜像电荷：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对于位于（-x）处时的 等量正电荷之间的吸引力。
正电荷叫镜像电荷，吸引力叫镜像引力。
2
e s
Vbi
Nd VR
1 C'
2
2Vbi VR
e s Nd
若在整个耗尽区内为Nd常数，做 1 C2 V关系应该为
直线。
例 受主浓度为Na=1017 cm-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，求其肖特基势 垒的高度。
近年来，在太阳能发电系统、工业用各 种电源装置、电动汽车及家电等电力电 子领域，为提高功率转换效率以实现进 一步节能，更高效率的功率元器件产品 备受期待。SiC器件与以往的Si器件相比， 具有优异的材料特性，在这些领域中的 应用日益广泛。尤其是在服务器等这类 要求更高电源效率的设备电源中，SiCSBD产品因其快速恢复特性可有效提高 效率而被用于PFC电路来提高设备效率。
肖特基二极管是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半 导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正 向导通压降仅0.4V左右，而整流电流却可达到几千毫安。 这些优良特性是快恢复二极管（简称FRD）所无法比拟 的。
5
全球知名半导体制造商ROHM开 发出非常适用于服务器和高端计 算机等的电源PFC电路的、第3 代SiC（Silicon Carbide:碳化硅） 肖特基势垒二极管
q2
q2
镜像电荷
电子
F 4k0(2x)2 16k0 x2
金属 --真空系统
解 Ge电子亲和势为：χ=4.13 eV，耗尽区宽度为：
3.1肖特基势垒二极管
肖特基模型预言的势垒高度很难在实验中观察到 , 实测的势垒高度和理想条件存在偏差.
原因: 1)不可避免的界面层δ≠0 2)界面态的存在 3)镜像力的作用
3.1肖特基势垒二极管
影响肖特基势垒高度的非理想因素
1. 镜像力对势垒高度的影响（肖特基效应） 2. 界面态的影响
Χ：电子亲和能，单位伏特。从导带底将一个电子移到刚 巧该种材料之外的一个位置（真空能级）所需的能量。
参数 金属功函数 半导体功函数 电子亲和能 肖特基势垒 内建电势差
符号
m
s
B0
EF
Vbi
真空能级
em
e es
Ec
EF
EFi
金属的功函数和半导体的电子亲和能都是材
Ev
料本身的本征参数，它们都反映了材料中能
3.1肖特基势垒二极管
考虑金属与n型半导体接触
Φm> Φs
理想肖特基 势垒：带边 相对于参考 能级(真空电 子能级)位置
不变
接触前：半导体费米能级高 于金属，半导体中的电子流 向比它能级低的金属中，而 带正电的空穴仍留在半导体 中，从而形成一个空间电荷 区（耗尽层）。
参数ΦB0是半导体接触的理想 势垒高度（肖特基势垒）：
半导体导带中得电子向金属 中移动存在势垒Vbi，就是半 导体的内建电势差：
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
反偏情况下，半导体-金属势垒高度增大，金属一边的势垒
不随外加电压而改变，即：φB0不变。
反偏势垒变高为： Vbi + VR
半导体一边，加正偏，势垒降低为Vbi - Va 。 φB0仍然不
3.1肖特基势垒二极管
肖特基二极管是以其发明人华特‧肖特基博士（Walter Hermann Schottky，1886年7月23日—1976年3月4日）命 名的，SBD是肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode, 缩写成SBD）的简称。
SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理 制作的，而是利用金属与半导体整流接触形成的金属－半 导体结原理制作的。因此，SBD也称为金属－半导体（接 触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极 管。
半导体器件原理
Principles of Semiconductor Devices
第三章：金属半导体和半导体 异质结
刘宪云 逸夫理科楼229室
第三章：金属半导体和半导体异质结
3.1 肖特基势垒二极管 3.2 金属—半导体的欧姆接触 3.3 异质结 3.4 小结
2
能带图
Φ: 功函数，单位为伏特。从费米能级将一个电子移到刚 巧在该种材料之外的一个位置（真空能级）所需的能量。
净电流I，I随VA的增加而增加。 反偏：势垒升高，阻止电子从半导体向金属流动，金
属中的一些电子能越过势垒向半导体运动，但这一反 向电流很小。 结论： φM>φS时，理想的MS接触类似于pn结二极 管，具有整流特性。
理想结特性
用与处理pn结类似的方法来确定肖特基结的静电特性
dE x 空间电荷密度
dx s 半导体介电常数
假定半导体掺杂均匀
E
dE dx
eNd
s
dx
eNd x
s
C1
边界条件：x=xn时，E=0
C1
eNd xn
s
E
eNd
s
xn
x
空间电荷区宽度
Hale Waihona Puke Wxn2s
Vbi VR
eNd
1/ 2
在突变结近似的条件下求出空间电荷区宽度
单位面积的耗尽层电容
1/ 2
C'
eNd
dxn dVR
级相对于真空电子能级的相对位置。
部分金属和半导体的参数
元素 Ag Al Au Cr Mo Ni Pd Pt Ti W
功函数，Φm 4.26 4.28 5.1 4.5 4.6 5.15 5.12 5.65 4.33 4.55
元素 Ge Si GaAs AlAs
电子亲和能，χ 4.13 4.01 4.07 2.5
变。
可以看到在偏压下，肖特基结的势垒高度
变化情况与pn结类似
qb
q 0
qb
qV
q( 0 V )
耗尽层
（ b）
肖特基（ a势） 垒的能带图（a）未加偏压（b）加正向偏压
（c）加反向偏压
肖特基二极管：正偏时， 半导体中电子形成的势垒 减小，作为多子的电子更 容易从半导体流向金属。
φM>φS，整流接触 正偏：半导体势垒高度变低，电子从S注入M，形成
14
3.1肖特基势垒二极管 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；
镜像力和镜像电荷：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对于位于（-x）处时的 等量正电荷之间的吸引力。
正电荷叫镜像电荷，吸引力叫镜像引力。
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e s
Vbi
Nd VR
1 C'
2
2Vbi VR
e s Nd
若在整个耗尽区内为Nd常数，做 1 C2 V关系应该为
直线。
例 受主浓度为Na=1017 cm-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，求其肖特基势 垒的高度。