第十四章 MS接触和肖特基二极管

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7.2 金属和半导体接触的整流理论
5. 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 镜像电荷 电子
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
7.2 金属和半导体接触的整流理论
Js m是电子从半导体 扩散到金属中的电
流密度,
Jm s是电子从金属扩
散到半导体中的电
流密度。
假定x坐标垂直于MS界面并指向半导体方向。 考虑一个电子从半导体体内进入到耗尽区, 如果该电子具有指向界面方向的速度 x , 并且 x 满足: 1 * 2 mn x e(VD Va ) 2 这一电子就能越过表面势垒并进入金属。
J s m e x n( x )d x

min
对于非简并半导体,可以证明: 4kTm n( x ) ( h3
min * n 2
)e
E F EC k 0T
e
* 2 mn x 2 k 0T
J s m e x n( x )d x [A T e
功函数:从费米能级到真空能级的能量差
电子亲和势:从导带底到真空能级的能量差 金属的功函数
Wm E0 EF M
半导体的亲和势
半导体的功函数
E0 E(表面) C WS [ EC EF S ]FB
7.1 金属和半导体接触及其能带图
元素 Al Ag Au Mo Ni Pt Ti W 功函数eV 4.28 4.26 5.1 4.6 5.15 5.65 4.33 4.55 元素 Si Ge GaAs AlAs 亲和势(eV) 4.05 4.13 4.07 3.5
电场分布
B M S
(2)电荷、电场、电势分布
电势分布
7.2 金属和半导体接触的整流理论
3. I-V特性
金属半导体结中的电流输运机制,
不同于pn结中少数载流子决定电
流的情况,而是主要取决于多数 载流子。肖特基二极管的基本过
程是电子运动通过势垒。这种现
象可以通过热电子发射理论来解 释。热电子发射现象基于势垒高 度远大于k0T这一假定。
7.1 金属和半导体接触及其能带图 三、 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。
18
WAl 4.28eV ,WAu 5.1eV WAl WGe , 形成整流接触;
ns E g Wm 0.67 4.13 4.28 0.52eV
VD
ns ( EV EF )
q
NA 0.52 kT ln 0.41eV NV
WAu WGe,形成欧姆接触
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.去除不重要的线
7.1 金属和半导体接触及其能带图
二、接触电势差
接触形成后瞬间
处于平衡态的能带
在两个方向都存在 电子流动的势垒
电子从S流向M没有势垒, 反之,仅有一小的势垒
qVD
* 2 en s k 0T
e
qVa k 0T
]
电子在从金属进入半导体时遇到的 势垒高度ns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
* 2
q2 q2 F 2 4k 0 (2 x) 16k 0 x 2
7.2 金属和半导体接触的整流理论

镜像力的势能将叠加到理想肖特基势垒上,使 原来的理想肖特基势垒的电子能量在MS界面 处下降,即使肖特Байду номын сангаас势垒高度下降,这就是肖
7.1 金属和半导体接触及其能带图
金属中的电子向半导体中运动存在势垒ns
叫做肖特基势垒。
qns Wm
半导体导带中的电子向金属中移动存在势垒 qVD ,VD就是半导体内的内建电势
qVD WM WS qns En
例1: 金属W与n型半导体Si 接触,Si的掺杂浓度
ND=1016cm-3,温度T=300K,求: (1)肖特基势垒高度 (2)半导体内的内建电势 解:(1) W的功函数:Wm=4.55eV, Si: =4.05eV
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
7.1 金属和半导体接触及其能带图
Wm Ws
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
7.1 金属和半导体接触及其能带图
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
ns=Wm- =4.55-4.05=0.50eV
(2) qVD=Wm-Ws= ns- En
NC 2.8 1019 En kT ln 0.026 ln 0.206eV 10 ND 10 En VD ns 0.29V q
7.1 金属和半导体接触及其能带图
Wm>Ws,整流接触

7.1 金属和半导体接触及其能带图
7.1 金属和半导体接触及其能带图

表面态存在一个距离价带顶为q0的中性能级: 电子正好填满q0 以下的所有表面态时,表面呈 电中性; q0以下的表面态空着时,表面带正电,
呈施主型; q0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, q0约为禁带宽度的三分之一。
7.2 金属和半导体接触的整流理论

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,半导体一边,
加正偏,势垒降低,反偏势垒变高。
7.2 金属和半导体接触的整流理论
WM>Ws,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: WM>Ws时,理想的MS接触类似于pn结 二极管、 具有整流特性

7.2 金属和半导体接触的整流理论
2. 肖特基二极管的特性
1.静电特性
平衡态能带图
电荷密度分布
(1)内建电势
1 Vbi [B ( EC EF ) FB q N q EC EF ln C kT N D
J s m q x d n
E1 c
dn g c ( E ) f ( E )dE 4 (2m ) E EC e dE 3 h 如果EC 之上电子的能量被视为动能,则有
3 * 2 n E EF kT
1 * 2 mn E EC 2 流过肖特基二极管的总电流 J J s m J m s
第七章 金属-半导体的接触
7.1 金属半导体接触及其能带图
7.2 金属半导体接触的整流理论
7.3 少数载流子的注入和欧姆接触
7.1 金属和半导体接触及其能带图
一、金属和半导体的功函数
Ws
Wm
金属
N型半导体
金属和n型半导体的能带图
7.1 金属和半导体接触及其能带图
真空能级E0:电子完全脱离材料本身的束缚所需最小能量
很薄,发生隧道穿透。
7.1 金属和半导体接触及其能带图
欧姆接触能带图
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
ns EFM EV (界面)
n s
k 0T
所以流过势垒的总电流: J J s m J m s [ A T e
* 2
n s
k 0T
][e
eVa k 0T
1]
4em k A 是热电子发射的有效理查得常数 3 h
* * n 2
J sT A T e
* 2

ens k 0T
J J sT (e
7.1 金属和半导体接触及其能带图

半导体费米能级EF高于q0,则在q0和EF之间 的能级基本上被电子填满,表面带负电。这样
半导体表面附近必定出现正电荷,成为正的空
间电荷区,结果形成电子的势垒,并使ns增加。
7.2 金属和半导体接触的整流理论
1. 整流特性的定性分析
外加偏压对两种MS结构的影响
量级
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
Wm<Ws,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:Wm<Ws形成欧姆接触
实际要形成欧姆接触时,要求半导体重掺杂,使空间电荷层
qVa kT
1)
4.肖特基势垒二极管 和pn结二极管的比较
pn结二极管
J J s (e
J J sT (e
qV kT
1)
1)
2 qDn ni2 qD p ni J s ( ) NA ND
肖特基
qVa kT
J sT A T e
* 2

ns
k0T
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

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ns不变
半导体一边,加正偏,势垒降低为VD-VA
反偏势垒变高为:VD+VR
7.1 金属和半导体接触及其能带图
+ M S
正偏
7.1 金属和半导体接触及其能带图
反偏
肖特基二极管
(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 欧姆接触 整流接触
Wm>Ws Wm<Ws
整流接触 欧姆接触
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
7.1 金属和半导体接触及其能带图
假设在n型半导体表面存在表面态: 当EF低于q0时, q0之下有一些态是空着的,表面 呈正电,这些正电荷和金属表面的负电荷所形成的 电场在金属和半导体之间的微小间隙中产生电势差,
所以半导体的耗尽层中需要较少的电离施主来平衡。
结果自建势被显著降低, 金属一边的势垒也降低。
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