尼曼半导体物理与器件PPT课件

.0，高级半导体物理和装置第9章金属半导体和半导体异质结，1，肖特基势垒二极管金属-半导体的欧姆接触异质结，本章内容，2，9.1肖特基势垒二极管，异质结：由两种不同物质组成的结。金属-半导体接触欧姆接触：接触电阻很低，可以在接头两侧形成电流整流器接触：肖特基二极管，主要是金属-n型半导体接触肖特基二极管电流，取决于大多数载流子流。3，(1)特性，真空能级用作参考能级。金属功能m，半导体功能s；e是费米能级和真空能级的差异。这里，m . s .电子亲和力。E半导体导板底部和真空能级之间的差异。4，金属与半导体紧密接触时，两种不同材料的费米能级在热平衡时必须相同，并且真空能级必须连续。这两个要求决定了理想金半接触的独特波段图，如图所示。理想阻挡层高度B0(肖特基势垒):半导体方面的内置电位差Vbi:对于类似的pn连接，半导体掺杂浓度函数。5，图(a) 0偏置金属-n型半导体接触频带图。热平衡，两种材料之间有相同的费米能级。图(b)是正偏压情况(对n型半导体施加正电压的金属)，半导体到金属的屏障高度降低了Va，使电子从半导体到金属，正偏压电流从金属到半导体容易流动。图(c)作为反面，障碍会提高VR。因此，电子的情况下，从半导体进入金属将更加困难。B0保持不变。6，(2)处理理想连接的特性、pn连接，以确定异质连接的静电特性，空间电荷区域的电场用泊松方程表示。假设半导体均匀掺杂：C1是积分常数。半导体空间电荷区边界场强E(xn)=0:均匀掺杂半导体，场强是线性函数，金属与半导体接触，因此场强达到了最大值。金属中场的力量为零，因此金属半导体接合的金属区域有表面负电荷。7，与与pn结计算方法相同的w，p n结的结果相同，均匀掺杂半导体：VR是添加的偏移电压。使用突变节点近似。接合电容结果与p n接合相同：砷化镓肖特基二极管Vbi大于硅二极管，8，(3)影响肖特基势垒高度的不理想因素，第一个因素是肖特基效应，即势垒的镜像力减小效果。远离电子介质中的金属x的电子可以形成电场，电场必须与金属表面垂直，与金属表面等距(金属内部)的虚拟正电荷(e)形成的电场相同，这些假想的影响如下图所示。对电子的力是根据虚拟电荷的库仑重力电势的表示，9，电子的电电势为-e (x)。图(b)是假设没有其他电场时的势能曲线。如果电场存在于电介质中，电位差表达式将修改为受一定电场影响的电子的电位差曲线，如图(c)所示。从图中可以看出，壁垒的顶峰减少了，这就是肖特基效应。10，降低肖特基势垒最常见的势垒对应XM是GaAs和Si的肖特基二极管势垒高度和金属功能之间的关系。曲线与理想的挡墙公式不匹配。金属-半导体的阻隔高度由金属共函数和半导体表面及接触面的状态决定。11，即使假设金属和半导体之间有形成电电位差的窄绝缘层，电子也可以在金属和半导体之间自由流动。金属和半导体的接触表面，半导体显示出表面状态分布。在热平衡下，金属-半导体连接的带状图和表面状态假定，如果电子出现在表面电位0以下的状态，则表示正电荷；如果没有电子，则表示正电荷；如果没有电子，如果有电子，如果有电子，则由表示负电荷的模板解释如上。在图中，对于0或大于0的EF以下的某些主要状态、表面状态密度Dit状态/cm2eV，表面电位、表面状态密度和其他半导体参数的关系如下：12，案例1:将dit 关系简化为挡墙高度由带宽和0决定。挡墙高度均与金属共函数及半导体电子亲和力无关，费米能级固定为表面电位0。情况2: dit 0关系最初缩写为理想表达式。在半导体中，由于屏障减少的影响，肖特基势垒高度是电场强度的函数。同时，挡墙高度也是表面状态的函数，因为表面状态无法预测，所以挡墙高度是实验值。13，(4)电流-电压关系，pn结电流：一小部分载流量决定金属半导体结的电流：大部分载流量决定n型半导体整流接触的基本过程：电子运动通过壁垒，热电发射理论。热电发射理论假设，屏障高度大于kT，只有玻尔兹曼是近似的，热平衡不会破裂。14，在正偏中，通过屏障的静态电位减少，表面电子浓度增加；从金属流向半导体的电子流保持不变。15，如果半导体表面的电子具有比屏障高度更高的能量，则可以通过热电释放进入金属。金属到半导体的方向规定为正方向。是的，Ec是电子能发射到金属时所需的最小能量，VX是托架沿运输方向的速度。电子浓度增加dn表示：如果Ec以上的能量被视为动能，则金属-半导体接头的净电流密度为，16，其中bn是实际肖特基势垒高度，A*是热电子发射的有效Richardson常数。自下而上替换表示JsT是反向饱和电流密度，这表示bn的更改是由于镜像力减少而引起的。在Bn=B0-中，常识可以记录逆电流随着半偏压的增加而随着阻挡层的减少而增加。将逆电压添加到肖特基势垒二极管的典型I-V曲线，17，理想肖特基二极管的I-V关系形式与pn结二极管相同：(5)肖特基势垒二极管与pn结二极管的比较有两个重要区别。第一个是反向饱和电流密度的量。两种设备的运输机制不同：肖特基二极管-多子通过热电子发射跳至内置电位差，pn结二极管-子扩散运动。肖特基二极管的理想反向饱和电流值比pn结好几个阶段。肖特基二极管的有效开路电压低于pn结二极管。18，右图比较了肖特基二极管和pn结二极管的正部分I-V特性曲线。肖特基二极管的有效开路电压低于pn结二极管的有效开路电压。主要是因为金半接触和pn连接的掺杂具有不同的阻挡层高度功能，但存在其他主要差异。肖特基二极管和pn结二极管的第二个主要区别是频率响应，即开关特性。肖特基二极管是多子导电设备，不产生双向扩散电容器高频设备。正向转换为反偏转时，子级的存储效果快速开关设备也不存在。19，9.2金属-半导体的欧姆接触，欧姆接触电阻极低的金属和半导体两者都能形成电流的电流是电压的线性函数，电压是两种常见的欧姆接触(形成非流隧道效应)。20，(1)理想的非流接触障碍m 6154s，考虑金属和p型半导体连接欧姆接触，接触前，接触后热平衡，热平衡，表面状态的影响，未形成良好的欧姆接触。21，(2)隧道效应金属-半导体接触的空间电荷宽度与半导体掺杂浓度的平方根成反比。随着掺杂浓度的增加，贫化层宽度减少，隧道效应增加。例9.7，重掺杂半导体耗尽层厚度水平为ago，隧道电流为结的主电流。隧道电流为：在这里，22，(3)比接触电阻欧姆电阻优于接触电阻RC。定义：电流密度为零偏置时电压感应的倒数，即由较低的半导体掺杂浓度形成的整流接触，电流-电压关系如下：接头的热释放电流起主要作用。此时，单位接触电阻随着单位接触电阻降低障碍高度而迅速减少。23，隧道对高掺杂浓度金属-半导体连接的作用主要。单位接触电阻表示单位接触电阻是很大程度上依赖半导体掺杂浓度的函数。右图是根据半导体掺杂浓度的Rc的一系列理论值。掺杂浓度大于1019cm-3左右，隧道效应占优势，Rc随Nd呈指数变化。掺杂浓度低时，Rc值基本上由挡墙高度决定，与掺杂浓度无关。还绘制了实验数据。24，9.3异质接头，(1)形成异质接头的材料异质接头由两种具有不同禁带宽度的材料组成。节点表面的频带不连续。突变结：半导体从窄波段宽度材料转变为宽波段宽度材料而形成的结。要形成有用的异质结，两种材料的晶格常数必须一致。25，(2)根据频带能量关系，有三种可能的异质结的频带图：跨度(图(a)、交错(图b)、错误层(图(c)。根据掺杂类型，有四种基本类型的异构连接。即，反式异构连接：掺杂类型变化，示例Np连接，nP连接类型异构连接：掺杂类型相同，示例nN连接，pP连接其中大写字母是更宽宽带间隙的材料，窄带隙和宽带间隙能量的关系：(a)交叉骑行；(b)交错；(c)双层，26，真空带平行于两个导能级和价带能级，真空能级连续。接触前能量带，27，典型理想的热平衡状态nP异质结，28，(3)nN异质结在热平衡状态下的理想能带图，为了实现热平衡，电子从宽带间隙材料到窄带隙，在相邻表面的势阱中形成电子积累。在势阱中，电子的能量是量子化的。二维电子气体意味着电子具有量化为一个空间方向(垂直于接口的方向)的能量水平，同时可以在另一个、两个空间方向自由移动。图(a)是铅边靠近突变结表面的带(b)三角情况井的近似形状。29，与表面平行的电流是电子浓度和电子移动速率的函数。由于GaAs光掺杂或固有功能，二维电子气体处于杂质浓度较低的区域，因为杂质散射效果最小。同样，电子迁移率远大于存在电离捐赠者杂质时的迁移率。平行于表面的电子运动受AlGaAs的电离杂质冷却力的影响，使用AlGaAs-GaAs异质结时，这种效果明显减弱。将逐渐变化的固有AlGaAs卡在n型AlGaAs和GaA