半导体器件物理课件第四章

第四章金属 半导体结 引言 金属 半导体形成的冶金学接触叫做金属 半导体结 M S结 或金属 半导体接触 把须状的金属触针压在半导体晶体上或者在高真空下向半导体表面上蒸镀大面积的金属薄膜都可以实现金属 半导体结 前者称为点接触 后者则相对地叫做面接触 金属 半导体接触出现两个最重要的效应 其一是整流效应 其二是欧姆效应 前者称为整流接触 又叫做整流结 后者称为欧姆接触 又叫做非整流结 金属 半导体结器件是应用于电子学的最古老的固态器件 1874年布朗 Brawn 就提出了金属与硫化铅晶体接触间具有不对称的导电特性 1906年皮卡德 Pickard 获得了硅点接触整流器专利 1907年皮尔斯 Pierce 提出 在各种半导体上溅射金属可以制成整流二极管 二十年代出现了钨 硫化铅点接触整流器和氧化亚铜整硫器 1931年肖特基 Schottky 等人提出M S接触处可能存在某种 势垒 的想法 1932年威尔逊 Wilson 等用量子理论的隧道效应和势垒的概念解释了M S接触的整流效应 引言 1938年肖特基和莫特 Mott 各自独立提出电子以漂移和扩散的方式越过势垒的观点 同年 塔姆 Tamm 提出表面态的概念 1947年巴丁 Bardein 提出巴丁势垒模型 由于点接触二极管的重复性很差 50年代 在大多数情况下它们已由PN结二极管所代替 到70年代 采用新的半导体平面工艺和真空工艺来制造具有重复性的金属 半导体接触 使金属 半导体结器件获得迅速的发展和应用 非整流结不论外加电压的极性如何都具有低的欧姆压降而且不呈整流效应 这种接触几乎对所有半导体器件的研制和生产都是不可缺少的部分 因为所有半导体器件都需要用欧姆接触与其它器件或电路元件相连接 概念 同质结 异质结 金半结 欧姆接触 同质结 同材料PN结异质结 不同材料PN结金半结 金属与半导体接触 肖特基势垒二极管 欧姆接触 没有整流效应的接触功函数 电子溢出表面吸收的最小能量 金属的功函数 半导体的功函数 电子亲和能 4 1肖特基势垒 4 1肖特基势垒 一 肖特基势垒的形成 考虑金属与N 半导体 半导体功函数 金属的功函数 半导体的电子亲和势 假设半导体表面没有表面态 接触是理想的 半导体能带直到表面都是平直的 自建电势差肖特基势垒高度或 体电势 其中 4 1 1 4 1 3 4 1 4 4 1 2 4 1肖特基势垒 二 加偏压的肖特基势垒正偏压 在半导体上相对于金属加一负电压 半导体 金属之间的电势差减少为 变成 反偏压 正电压加于半导体上 势垒被提高到 图4 2c 图4 2肖特基势垒的能带图 a 未加偏压 b 加有正向偏压 c 加有反向偏压 4 1肖特基势垒 对于均匀掺杂的半导体 类似于结 在空间电荷区解Poisson方程可得空间电荷区宽度 4 1 5 结电容 4 1 6 或 4 1 7 4 1肖特基势垒 与P N结情形一样 可以给出与的关系曲线以得到直线关系 图4 3 从中可以计算出自建电势和半导体的掺杂浓度 图4 3钨 硅和钨 砷化镓的二极管1 C2与外加电压的对应关系 4 1肖特基势垒 例题 从图4 3计算硅肖特基二极管的施主浓度 自建电势和势垒高度 解利用 4 1 7 式 写成在图4 3中电容是按单位面积表示的 因此 我们求得时 因此 4 1肖特基势垒 由于从图4 3有 所以有 4 1肖特基势垒 小结金属 半导体接触出现两个最重要的效应 整流效应和欧姆效应 前者称为整流接触 又叫做整流结 后者称为欧姆接触 又叫做非整流结 金属与N型半导体接触如果金属的功函数大于半导体的功函数则将形成肖特基势垒 画出了热平衡情况下的肖特基势垒能带图 半导体空间电荷层自建电势为肖特基势垒高度为或 4 1肖特基势垒 小结画出了加偏压的的肖特基势垒能带图 根据能带图解释了肖特基势垒二极管的整流特性 由于金属中具有大量的电子 偏压情况下金属费米能级不变 因此不变 不变亦可从公式 4 3 看出 解Poisson方程可得肖特基势垒的空间电荷区宽度式中为半导体的掺杂浓度 为反向偏压 4 1肖特基势垒 小结肖特基势垒结电容或与P N结情形一样 可以由与的关系曲线求出自建电势和半导体的掺杂情况 4 2界面态对势垒高度的影响 4 2界面态对势垒高度的影响 由 4 1 2 式所确定的势垒高度 往往与根据C V曲线测量所得到的不一致 这是因为在实际的肖特基二极管中 在界面处晶格的断裂产生大量能量状态 称为界面态或表面态 位于禁带内 界面态通常按能量连续分布 并可用一中性能级表征 若与费米能级对准 则净表面电荷为零 在实际的接触中 时 界面态的净电荷为正 类似于施主 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 所以耗尽层内需要较少的电离施主以达到平衡 4 2界面态对势垒高度的影响 4 4被表面态钳制的费米能级 4 2界面态对势垒高度的影响 结果是 自建电势被显著降低如图 4 4a 并且 根据式 4 1 3 势垒高度也被降低 从图4 4 a 看到 更小的使更近 与此类似 若 则在界面态中有负电荷 并使增加 还是使和接近 图4 4b 因此 界面态的电荷具有负反馈效应 它趋向于使和接近 若界面态密度很大 则费米能级实际上被钳位在 称为费米能级钉扎效应 而变成与金属和半导体的功函数无关 4 2界面态对势垒高度的影响 表4 1以电子伏特为单位的N型半导体上的肖特基势垒高度 4 3镜像力对势垒高度的影响 4 3镜像力对势垒高度的影响 图4 5镜像力降低金属 半导体势垒 如图4 5 c 所示 可见原来的理想肖特基势垒的电子能量在处下降 也就是说使肖特基势垒高度下降 这就是肖特基势垒的镜像力降低现象 又叫做肖特基效应 如图4 5所示 4 3镜像力对势垒高度的影响 三 镜像力对势垒高度的影响一 镜像力降低肖特基势垒高度 肖特基效应 镜象力引起的电子电势能为其中边界条件取为 时 和时 如图4 5 b 所示 4 3 1 4 3 2 4 3镜像力对势垒高度的影响 将原来的理想肖特基势垒近似地看成是线性的 因而界面附近的导带底势能曲线写做其中为表面附近的电场 等于势垒区最大电场 包括内建电场和偏压电场 总势能为 4 3 3 4 3 4 4 3镜像力对势垒高度的影响 二 势垒降低的大小和发生的位置 设势垒高度降低的位置发生在处 势垒高度降低值为 令 由 4 3 4 式得到 4 3 5 4 3镜像力对势垒高度的影响 由于故大电场下 肖特基势垒被镜像力降低很多 4 3 6 4 3镜像力对势垒高度的影响 镜像力使肖特基势垒高度降低的前提是金属表面附近的半导体导带要有电子存在 所以在测量势垒高度时 如果测量方法与电子在金属和半导体间的输运有关 则所得结果是 如果测量方法只与耗尽层的空间电荷有关而不涉及电子的输运 例如电容方法 则测量结果不受镜像力影响 4 3镜像力对势垒高度的影响 空穴也产生镜像力 它的作用是使半导体能带的价带顶附近向上弯曲 如图4 6所示 但它不象导带底那样有极值 结果使接触处的能带变窄 4 3镜像力对势垒高度的影响 小结肖特基效应 镜像力使理想肖特基势垒的电子能量在下降 也就是使肖特基势垒高度下降 这种效应叫做肖特基效应 作为一种近似把理想肖特基势垒半导体势垒区电子能量看做是线性的 根据总能量和图4 5c解释了肖特基效应 4 3镜像力对势垒高度的影响 小结计算了肖特基势垒的降低和总能量最大值发生的位置 4 4肖特基势垒二极管的电流电压特性 4 4肖特基势垒二极管的电流电压特性 热电子和热载流子二极管 当电子来到势垒顶上向金属发射时 它们的能量比金属电子高出约 进入金属之后它们在金属中碰撞以给出这份多余的能量之前 由于它们的等效温度高于金属中的电子 因而把这些电子看成是热的 由于这个缘故 肖特基势垒二极管有时被称为热载流子二极管 这些载流子在很短的时间内就会和金属电子达到平衡 这个时间一般情况小于一 空间电荷区中载流子浓度的变化对于非简并化情况 导带电子浓度和价带空穴浓度为 4 5 1 4 4肖特基势垒二极管的电流电压特性 设半导体内本征费米能级为 热平衡时半导体内部的载流子浓度为表面空间电荷区内 本征费米能级为则空间电荷区中载流子浓度为 4 5 2 4 5 3 4 5 4 4 5 5 4 4肖特基势垒二极管的电流电压特性 在半导体与金属界面处称为表面势 取半导体内为电势零点 则表面势 二 电流 电压特性 李查德 杜师曼 Richardson dushman 方程 在M S界面 4 5 6 4 5 7 4 4肖特基势垒二极管的电流电压特性 4 5 9 即 当有外加电压时 4 5 10 4 4肖特基势垒二极管的电流电压特性 由气体动力论 单位时间入射到单位面积上的电子数即进入金属的电子数为式中为热电子的平均热运动速度 为电子有效质量 于是电子从半导体越过势垒向金属发射所形成的电流密度为与此同时电子从金属向半导体中发射的电流密度为 4 5 11 4 5 12 4 4肖特基势垒二极管的电流电压特性 总电流密度为导带有效状态密度为 代入 得到热电子发射理论的电流 电压关系 4 5 14 4 5 13 4 4肖特基势垒二极管的电流电压特性 其中称为有效里查森常数 它是在电子向真空中发射时的里查森常数中 用半导体电子的有效质量代替自由电子质量而得到的 代入有关常数 最后得到的单位为 其数值依赖于有效质量 对于N型硅和P型硅 分别为110和32 对于N型和P型 分别为8和74 4 5 15 4 5 16 4 5 17 4 4肖特基势垒二极管的电流电压特性 当肖特基势垒被施加反向偏压时 将 4 5 14 式中的换成即可得到反向偏压下的电流 电压关系 于是 结在正反两种偏压下的电流 电压关系可以统一用下式表示称为理想化因子 它是由非理想效应引起的 对于理想的肖特基势垒二极管 两种肖特基二极管的实验特性示于图4 7中 4 5 18 4 5 19 4 4肖特基势垒二极管的电流电压特性 图4 7和肖脱基二极管正向电流密度与电压的对应关系 4 4肖特基势垒二极管的电流电压特性 使正向曲线延伸至 可以求出参数 可以用它和 4 5 15 式一起来求出势垒高度 理想化因子可由半对数曲线的斜率计算出来 对于Si二极管得到 二极管n 1 04 可见 4 5 14 式较好地适于 和等常用半导体材料作成的肖特基势垒 以上分析说明 肖特基势垒电流基本上是由多子传导的 是一种多子器件 值得指出的是 根据式 4 5 15 反向电流应为常数 这与实验数据出现偏差 其原因之一是4 3节中所指出的镜像力作用 把换成 则饱和电流改为 4 5 20 实验发现 用上述方程来描述肖特基势垒二极管的电流电压特性更为精确 特别是对反向偏压情况的描述 4 4肖特基势垒二极管的电流电压特性 三 少数载流子电流空穴从金属注入到半导体中形成电流 这个电流实际上是半导体价带顶附近的电子流向金属费米能级以下的空状态而形成的 其中 4 5 21 4 5 22 在象硅这样的共价键半导体中要比小的多 结果是热离子发射电流通常远远大于少数载流子电流 4 4肖特基势垒二极管的电流电压特性 例 一个肖特基势垒二极管 计算势垒高度和耗尽层宽度 比较多数载流子电流和少数载流子电流 假设解 由图4 7求得 由方程 4 5 15 于是 4 4肖特基势垒二极管的电流电压特性 时 耗尽层宽度为设 则 因此 4 4肖特基势垒二极管的电流电压特性 小结概念 表面势 热电子 热载流子二极管 里查森常数 有效里查森常数表面空间电荷区内载流子浓度表达式和半导体表面载流子浓度表达式 4 4肖特基势垒二极管的电流电压特性 小结根据气体动力论给出了从半导体进入金属的电子流密度 式中为热电子的平均热运动速度 为电子有效质量 电流 电压特性 李查德 杜师曼 Richardson dushman 方程 给出了少子空穴电流并与多子电流作了比较 少子空穴电流可以忽略 4 5肖特基势垒二极管的结构 4 5肖特基势垒二极管的结构 图4 8实用的肖特基二极管结构 a 简单接触 b 采用金属搭接 C 采用保护环二极管 4 6金属 绝缘体 半导体肖特基二极管 4 6金属 绝缘体 半导体肖特基二极管 图4 9结构的能带图 4 6金属 绝缘体 半导体肖特基二极管 传导电流是由载流子隧道穿透氧化层所形成的 从导带边缘算起的平均势垒高度 以电子伏特为单位 氧化层厚度 以埃为单位 的乘积无量纲 在一般情况下 若外加电压不变 薄氧化层只减少多数载流子电流 但不降低少数载流子电流 这导致少数载流子电流与多数载流子电流的比率的增长 结果是增加了少数载流子的注入比 这有利于改善诸如太阳电池和发光二极管等器件的性能 4 6 1 4 7肖特基势垒二极管和P N结二极管之间的比较 4 7肖特基势垒二极管和P N结二极管之间的比较 肖特基势垒二极管是多子器件 P N结二极管是少子器件 1 在肖特基势垒中 由于没有少数载流子贮存 因此肖特基势垒二极管适于高频和快速开关的应用 2 肖特基势垒上的正向电压降要比P N结上的低得多 低的接通电压使得肖特基二极管对于钳位和限辐的应用具有吸引力 3 肖特基势垒的温度特性优于P N结 4 噪声特性也优于P N结 此外 肖特基势垒二极管制造工艺简单 4 7肖特基势垒二极管和P N结二极管之间的比较 4 7肖特基势垒二极管和P N结二极管之间的比较 4 7肖特基势垒二极管和P N结二极管之间的比较 小结肖特基势垒二极管是多子器件 与P N结二极管相比具有高频 高速 低接通电压 低温度系数和低噪声的特点肖特基势垒二极管制造工艺比P N结二极管制造工艺简单得多 4 8肖特基势垒二极管的应用 4 8肖特基势垒二极管的应用 肖特基二极管的等效电路 Cd 结电容 rs 串联电阻 4 8 1 为二极管结电阻 扩散电阻 4 8肖特基势垒二极管的应用 一 肖特基势垒检波器或混频器由电磁学 复阻抗当时在上的功率耗散和在结上的相等 式中称为截止频率 因为 所以有对于高频运用 和都应该很小 如果半导体具有高杂质浓度和高迁移率 是能够实现小的 通过采用材料 工作频率接近看来是有可能的 4 8 3 4 8肖特基势垒二极管的应用 肖特基势垒钳位晶体管 4 8肖特基势垒二极管的应用 当开关晶体管饱和时 集电结被正向偏置约达0 5V 若在肖特基二极管上的正向压降 一般为0 3V 低于晶体管基极 集电极的开态电压 则大部分过量基极电流流过二极管 该二极管没有少数载流子贮存效应 因此 与单独的晶体管相比较 合成器件的贮存时间得到显著的降低 测得的贮存时间可以低于1ns 肖特基势垒钳位晶体管是按示于图4 13b的结构以集成电路的形式实现的 铝在轻掺杂的N型集电区上能形成极好的肖特基势垒 并同时在重掺杂的P型基区上面形成优良的欧姆接触 这两种接触可以只通过一步金属化作成 无需额外的工艺 4 8肖特基势垒二极管的应用 小结 肖特基势垒二极管的等效电路 由于肖特基势垒二极管具有高频 高速的优点 它们被应用于肖特基势垒检