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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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
接触电阻
接触电阻Rc
I-V曲线在零偏下斜率的倒数
J Rc V
1
cm 2
V 0
对于低掺杂的整流接触来说,电流-电压关系为热电子 发射机制,因而单位接触电阻为:
半导体物理与器件
理想非整流接触
em e es
EF
eBn
Ec N型(半导体)欧姆 EF 接触:金属功函数小 于半导体功函数 EF EFi Ev
en
Ec EF Ev

Ec EF Ev
N型欧姆接触往往 采用功函数较小的 金属,如Al EF 偏压下电子在金属半导体界面传输时, 遇到的势垒很小
实际肖特基势垒高度是电场强度和表面态的函数。 由于表面态密度无法预知,所以势垒高度是一个 经验值
半导体物理与器件
电流电压关系
热电子发射电流 当载流子迁移率较高,相应的平均自由程ln很大,以至 于远远大于势垒区厚度xD时( ln>> xD )适用于此理论。 对于电子而言,势垒的形状并不重要,起决定作用的 是势垒顶点的高度——半导体体内的电子只要有足够 的能量超过势垒的顶点,就可以自由地通过阻挡层进 入金属;同样,金属中能超越势垒顶的电子也能达到 半导体体内;所以电流的计算就归纳为计算超越势垒 的载流子数目,这就是热电子发射理论。 显然,热电子发射电流与体内电子的能量分布有关。
半导体物理与器件
肖特基接触形成
接触前
真空能级
接触后
eB 0
EF
Ec EF EFi Ev
em
EF
e
es
eVbi
en
Ec
EF
Ev
xn W
耗尽层
半导体物理与器件
部分金属和半导体的参数
元素
Ag Al
功函数,Φm
4.26 4.28
元素
电子亲和能,χ
Ge
Si GaAs AlAs
4.13
4.01 4.07 3.5
0 e
e 16 s x
2
E
16 s E
P.238 例9.3
eE 4 s
势垒高度的变化量非常小,但从后边可以看到,势垒高度和电流-电压关 系呈指数关系变化,因而微小的势垒高度变化将会导致明显的电流变化
半导体物理与器件
界面态对势垒高度的影响 当半导体表面存在表面态时,则表面上可能有净 电荷存在,从而对能带造成影响
半导体物理与器件
半导体物理与器件
电子由半导体流向金属所引起的电流密度可表示为:
J S m e ' vx dn
EC

其中Ec’是通过热电子发射至金属所需的最小能量,vx 是载流子沿着电流输运方向的速度,满足热电子发射 条件的电子浓度的微分值为:
dn gc E f F E dE
'
在无穷远处电势为0
半导体物理与器件
不存在其他电场时,该势能曲线为:
E(x) x
EF
考虑势垒内的内建电场:
E(x)
e x Ex 16 s x
xm eBn

eE
x
eB 0
EF
半导体物理与器件
镜像力使实际的势垒高度降低,可求出势垒的最大高 度和对应的xm
d e x dx xm
能带图
Φ:功函数,单位为伏特 Χ:电子亲和能,单位伏特
真空能级
参数 金属功函数
符号
半导体功函数
电子亲和能 肖特基势垒
m s

em
EF
e
es
内建电势差
B 0 Vbi
Ec EF EFi Ev
金属的功函数和半导体的电子亲和能都是材料本身的 本征参数,它们都反映了材料中能级相对于真空电子 能级的相对位置
实际的肖特基二极管中,存在着少子扩散电流、 隧道电流等多种电流成分,但是和热电子发射 电流相比,这些机制一般都可以忽略。
半导体物理与器件
§9.2金属-半导体的欧姆接触
任何半导体器件最后都要用金属与之接触,并由导线 引出,因此,获得良好的欧姆接触是十分必要的。 欧姆接触是接触电阻很低的结 不产生明显的阻抗; 不使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著变化。
半导体物理与器件
利用隧道效应制成的欧姆接触
提高表面杂质浓度,利用隧道效应制成的欧 姆接触,这是目前在生产实践中主要使用的方法。
高掺杂薄势垒强隧道效应欧姆接触
半导体物理与器件
利用隧道效应形成欧姆接触
eBn
e
EF

e

Ec EF Ev
M n++
n
eBn J t exp Eoo e N d Eoo * 2 s mn
高掺杂的金属-半导体结的接触电阻强烈依赖于掺杂浓度
当掺杂浓度低于1017时,金-半接触主要为热电子发射 机制;当浓度大于1019时,隧道效应将占据主导地位; 在两者之间时,则两种电流成分兼有。 制作欧姆接触需要提高表面掺杂和降低界面势垒。但 实际上欧姆接触的制作需要大量的实践经验。对于禁 带宽度比较大的半导体来说,欧姆接触的制作更加困 难。
J sT
eBn A T exp kT
* 2
Js
eDn np 0 Ln

eDp pn 0 Lp
J sT J s
开启电压不同
半导体物理与器件
肖特基结二极管 的开启电压: 0.3V左右 pn结二极管的开 启电压0.6V左右
半导体物理与器件
肖特基结二极管的开关特性要快得多(多子器 件,无少子扩散电容)。肖特基二极管开关速 度在ps量级,而pn结为ns。
eB 0
EF
eVbi
en
Ec EF
理想肖特基势垒: 带边向对于参考能 级(真空电子能级) 位置不变
Ev
xn W
耗尽层
半导体物理与器下,肖特基结的势垒高度变化情况与pn结类似
反向偏压
正向偏压
eB 0
eVbi VR
Ec EF
e Vbi Va
半导体物理与器件
第九章
金属半导体和半导体异质结
金属半导体接触 肖特基二极管 欧姆接触 半导体异质结
半导体物理与器件
§9.1肖特基势垒二极管 肖特基二极管是由金属-半导体整流接触形成的二 极管,一般情况下,整流接触发生在n型半导体 中,我们将主要讨论金属和n型半导体形成的整 流接触。
半导体物理与器件
'
1/ 2
2 Vbi VR 1 ' e s N d C
2
P.235 例9.2
半导体物理与器件
影响肖特基势垒的非理想因素
镜像力
金属 电介质
F
e 2 4 s 2 x
2
eE
+
-
x x=0
x Edx
' x


x
e dx 2 16 s x 4 s 4 x ' e
eB 0
Ec EF
x x0 x xn
Ev Ev
x x0 x xn
半导体物理与器件
理想结特性
用和处理pn结类似的方法来确定肖特基结的静电特性
dE x dx s
假定半导体掺杂均匀
空间电荷密度 半导体介电常数
eN d eN d x dE E dx C1 dx s s
其中gc(E)为导带的态密度,fF(E)为费米-狄拉克概率 分布函数
半导体物理与器件
假设仍然满足麦克斯韦-玻尔兹曼近似条件,则有:
dn
4 2m h
3
* 3/ 2 n

假设半导体材料中电子的能量高于Ec部分均为电子的 动能,则有: 1
E EF E Ec exp dE kT
2
m v E Ec
* 2 n
从半导体向金属的净电流密度为
J s m
* 2 eBn eVa A T exp exp kT kT
半导体物理与器件
其中A*为有效理查德森常数
4 em k A 3 h
* * n
A*和有效质量有关,实际是与状态密度有关
P.241 例9.4 利 用IV特性求出 理查德森常数
半导体物理与器件
肖特基二极管与pn结二极管的对比: 肖特基结二极管的特性与pn结二极管的特性主要 区别:
反向饱和电流存在很大差别,肖特基结二极管的JsT一般 情况下要远远大于pn结二极管的JS,通常二者相差几 个数量级以上(例9.5);
2
正偏条件下金属-半导 体之间形成肖特基结的 能带图及其电路符号
半导体物理与器件
流过肖特基结的总电流可表示为电子由半导体流入金 属中所引起的电流Js →m与电子由金属流入半导体中所 引起的电流Jm →s之差,即:
J J sm J ms
J s m * 2 eBn eVa A T exp exp kT kT J ms * 2 eBn A T exp kT
eVox e
Qss
em
EF
eBn
e0
en
eVbi
Eg

表面态的电中性能级
半导体物理与器件
电中性条件
Qm Qs 0 Qm Qs Qss 0
当表面态有净的正电荷存在时,造成半导体内正施主 电荷量减少,从而使得空间电荷区缩短,势垒降低; 当表面态有净的负电荷存在时,造成半导体内正施主 电荷量增多,从而使得空间电荷区加宽,势垒增高;
由热平衡总电流为零知:
半导体物理与器件
电流的正方向定义ms,因此可得:
* 2 eBn eVa J A T exp exp 1 kT kT
上述方程也可表示为通常二极管电流方程形式,即:
eVa J J sT exp 1 kT
边界条件:x=xn时,E=0
C1
eN d xn
s
E
eN d
s
xn x
半导体物理与器件
空间电荷区宽度
2 s Vbi VR W xn eN d
1/ 2
P.234 例9.1
在突变结近似的条件下求出空间电荷区宽度
dxn e s N d C eN d dVR 2 Vbi VR
Au
Cr Mo Ni Pd Pt Ti
5.1
4.5 4.6 5.15 5.12 5.65 4.33
W
4.55
半导体物理与器件
参数ΦB0是半导体接触的理想势垒高度(肖特基势垒)
B0 m
在半导体一侧,Vbi是半导体掺杂浓度的函数,类似于pn 结中的情况
Vbi B 0 n
kT e Rc
eBn exp kT A*T 2
对于低掺杂金-半接触来说,接触电阻强烈依赖于势垒高度ΦBn
半导体物理与器件
对于高掺杂浓度的金属-半导体结来说,隧道效应 将起到主要作用。其单位接触电阻为: 2 m* s n Rc exp Bn Nd
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