尼曼半导体物理与器件第九章

1、高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结0高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结1 肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 金属金属-半导体的欧姆接触半导体的欧姆接触 异质结异质结高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结2 异质结：两种不同材料组成的结。异质结：两种不同材料组成的结。 金属金属-半导体接触半导体接触 欧姆接触欧姆接触：接触电阻很低，结两边都能形成电流：接触电阻很低，结两边都能形成电流 整流接触整流接

2、触：肖特基二极管，多发生在金属：肖特基二极管，多发生在金属-n型半导体型半导体接触接触 肖特基二极管电流主要取决于肖特基二极管电流主要取决于多数载流子多数载流子流动。流动。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结3 真空能级真空能级作为参考能级。作为参考能级。 金属金属功函数功函数 m，半导体功函数，半导体功函数 s；e 为费米能级和真空能级为费米能级和真空能级之差。之差。此处，此处， m s。 电子亲和能电子亲和能。e是半导体导带底与真空能级的差值。是半导体导带底与真空能级的差值。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九

3、章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结4当金属与半导体紧密接触时，两种不同材料的当金属与半导体紧密接触时，两种不同材料的费米能级在热费米能级在热平衡时应相同平衡时应相同，此外，此外，真空能级也必须连续真空能级也必须连续。这两项要求决。这两项要求决定了理想的金半接触独特的能带图，如图所示。定了理想的金半接触独特的能带图，如图所示。 理想理想势垒高度势垒高度 B 0（肖特基（肖特基势垒）：势垒）： mB0半导体一侧，形成半导体一侧，形成内建电势差内建电势差Vbi： nBbiV0类似类似pn结中情况，为半结中情况，为半导体掺杂浓度的函数导体掺杂浓度的函数高等半导体物理与器件高等半导体物

4、理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结5 图图(a)为为零偏零偏情况下金属情况下金属-n型半导体型半导体接触能带图。热平衡，两种材料间接触能带图。热平衡，两种材料间具有相同的费米能级。具有相同的费米能级。 图图(b)为为正偏正偏情况（情况（金属金属上施以相对上施以相对于于n型半导体为型半导体为正的电压正的电压），半导），半导体到金属的势垒高度将降低体到金属的势垒高度将降低Va，使，使电子变得更易从半导体进入金属，电子变得更易从半导体进入金属，正偏电流方向从金属流向半导体正偏电流方向从金属流向半导体。 图图(c)为为反偏反偏情况，将使势垒提高了情况，将使势垒提高了

5、VR。因此，对电子而言，将变得更。因此，对电子而言，将变得更难从半导体进入金属中。难从半导体进入金属中。 B0保持不变。保持不变。xnxnxn高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结6ddnsseNeNEdxxx sxdEdx1dnseN xC 处理处理pn结相同方法来确定异质结静电特性结相同方法来确定异质结静电特性空间电荷区的电场用泊松方程表示为：空间电荷区的电场用泊松方程表示为：1ddsseNeN xEdxC假设假设半导体均匀掺杂半导体均匀掺杂，则：，则：C1是积分常数。由于半导体是积分常数。由于半导体空间电荷区边界电场强度空间

6、电荷区边界电场强度E(xn)=0：均匀掺杂半导体，场强是线性函数，金属与半导体接触处，场均匀掺杂半导体，场强是线性函数，金属与半导体接触处，场强达到最大值。由于金属中场强为零，因此在金属强达到最大值。由于金属中场强为零，因此在金属-半导体结的半导体结的金属区中存在表面负电荷金属区中存在表面负电荷。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结7与与pn结计算方法相同结计算方法相同W，结果与，结果与p+n结相同，均匀掺杂半导体：结相同，均匀掺杂半导体：VR是所加反偏电压。运用是所加反偏电压。运用突变结近似突变结近似。1/22nsddRbiR

7、dxeNCeNdVVV 1/22sbiRndVVWxeN结电容的结果与结电容的结果与p+n结也是相同：结也是相同：221biRsdVVCeN砷化镓肖特基二极管砷化镓肖特基二极管Vbi比硅二极管的大比硅二极管的大高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结8第一种因素是第一种因素是肖特基效应肖特基效应，即势垒的镜像力降低效应。，即势垒的镜像力降低效应。 电介质中距离金属电介质中距离金属x处的电子能够形成电场，电场线与金属表处的电子能够形成电场，电场线与金属表面必须垂直，与一个距金属表面同样距离（金属内部）的假面必须垂直，与一个距金属表面同

8、样距离（金属内部）的假想正电荷（想正电荷（+e）形成的电场相同，这种假想的影响如下图所）形成的电场相同，这种假想的影响如下图所示。示。 对电子的作用力取决于假想电荷的库仑引力对电子的作用力取决于假想电荷的库仑引力 电势的表达式为电势的表达式为2242SeFeEx 21642xxSSeexEdxdxxx 高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结9 电子的电势能为电子的电势能为-e (x)；图（；图（b）是假设不存在其他电场时）是假设不存在其他电场时的电势能曲线。电介质中存在电场时，电势表达式修正为的电势能曲线。电介质中存在电场时，电势

9、表达式修正为 恒定电场影响下，电子的电势能曲线如图（恒定电场影响下，电子的电势能曲线如图（c）所示。由图）所示。由图可见势垒的峰值减小了，这种可见势垒的峰值减小了，这种势垒减小势垒减小的现象就是的现象就是肖特基肖特基效应效应。 16SexExx高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结10 肖特基势垒减小肖特基势垒减小 ，最大势垒对应的，最大势垒对应的xm可由下式求得可由下式求得 得出得出 0d exdx16mSexE4SeE则则 右图为右图为GaAs和和Si的肖特基二极管的肖特基二极管的势垒高度与金属功函数的关系。的势垒高度与金属功

10、函数的关系。 曲线与理想势垒公式不相符。曲线与理想势垒公式不相符。 金属金属-半导体的势垒高度由半导体的势垒高度由金属功金属功函数函数及及半导体表面和接触面的状半导体表面和接触面的状态态共同决定。共同决定。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结11 假定金属与半导体之间存在假定金属与半导体之间存在一条一条窄的绝缘层窄的绝缘层，形成，形成电势电势差差，但电子在金属与半导体，但电子在金属与半导体间可自由流动。间可自由流动。 金属与半导体的接触表面，金属与半导体的接触表面，半导体呈现出表面态分布。半导体呈现出表面态分布。热平衡下，金属热

11、平衡下，金属-半导体结的能带图及表面态半导体结的能带图及表面态 假定假定表面势表面势 0以下的状态是施主态，如表面出现电子，则将其以下的状态是施主态，如表面出现电子，则将其中和，如没电子，则呈现正电荷；以上的是受主态，如没电子，中和，如没电子，则呈现正电荷；以上的是受主态，如没电子，则将其中和，如有电子，则呈现负电性。则将其中和，如有电子，则呈现负电性。 图中图中 0以上以上EF以下的一些受主状态，表面态密度以下的一些受主状态，表面态密度Dit态态/cm2eV，则表面势、表面态密度及其他半导体参数的关系如下：则表面势、表面态密度及其他半导体参数的关系如下：012igBnSdBnnmBnitit

12、EeeeNeDeD高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结12情况情况1： Dit 关系式化简为关系式化简为 势垒高度由禁带宽度和势垒高度由禁带宽度和 0决定。势垒高度全部与金属功函数决定。势垒高度全部与金属功函数和半导体电子亲和能无关，费米能级固定为表面势和半导体电子亲和能无关，费米能级固定为表面势 0。情况情况2：Dit0 关系式化简为关系式化简为即原始的理想表达式。即原始的理想表达式。 在半导体中，由于势垒降低的影响，肖特基势垒高度是在半导体中，由于势垒降低的影响，肖特基势垒高度是电场电场强度强度的函数。同时势垒高度也是的函数

13、。同时势垒高度也是表面态表面态的函数，由于表面态的函数，由于表面态无法预知，所以无法预知，所以势垒高度是一个实验值势垒高度是一个实验值。01BngEeeBnm高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结13 pn结电流：结电流：少数载流子少数载流子决定决定 金属半导体结中的电流：金属半导体结中的电流：多数载流子多数载流子决定决定 n型半导体整流接触的基本过程：电子运动通过型半导体整流接触的基本过程：电子运动通过势垒，势垒，热电子发射热电子发射理论。理论。 热电子发射理论假设：势垒高度远大于热电子发射理论假设：势垒高度远大于kT，玻玻尔兹

14、曼近似尔兹曼近似，热平衡不被打破。，热平衡不被打破。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结14正偏正偏时，时，跨越势垒的静电势差降低跨越势垒的静电势差降低，因此表面电子浓度增加；，因此表面电子浓度增加；而由而由金属流向半导体的电子流量维持不变金属流向半导体的电子流量维持不变。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结15在半导体表面的电子若是具有比势垒高度更高的能量，便可以通过在半导体表面的电子若是具有比势垒高度更高的能量，便可以通过热电子发射而进入金属中。热电子发射而进

15、入金属中。 3 2342expnFcFcmEEdngE fE dEEEdEhkT规定金属到半导体的方向为正方向。则有规定金属到半导体的方向为正方向。则有csmxEJev dnEc是电子能够发射到金属中时所需的最小能量，是电子能够发射到金属中时所需的最小能量，vx是载流子沿输运是载流子沿输运方向的速度。电子浓度增量方向的速度。电子浓度增量dn可表示为：可表示为：Ec以上的能量被视为动能，则以上的能量被视为动能，则212ncm vEE则则金属金属-半导体结中的净电流密度半导体结中的净电流密度为为smmsJJJ2expexp1BnaeeVJA TkTkT高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章

16、第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结16其中其中 Bn是实际肖特基势垒高度，是实际肖特基势垒高度，A*是热电子发射的有效理查德森常数。是热电子发射的有效理查德森常数。上式改写为上式改写为exp1asTeVJJkTJsT是反向饱和电流密度，表示为是反向饱和电流密度，表示为 Bn的变化是由镜像力降低引起的。由的变化是由镜像力降低引起的。由 Bn= B0- ，上式可写为，上式可写为234nem kAh2expBnsTeJA TkT2expexp1BnaeeVJA TkTkT20expexpBsTeeJA TkTkT反向电流随着反偏电压的增加反向电流随着反偏电压的增加而增大是由于势

17、垒降低的影响。而增大是由于势垒降低的影响。肖特肖特基势基势垒二垒二极管极管加反加反偏电偏电压时压时的典的典型型I-V曲曲线线高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结17exp1asTeVJ MSJkTexp1aseVJ pnJkT 两者间有两点重要区别：第一是两者间有两点重要区别：第一是反向饱和电流密度的数量级反向饱和电流密度的数量级。00pnnpspneD peD nJLL2expBnsTeJA TkT两种器件的两种器件的输运机制输运机制不同：肖特基二极管不同：肖特基二极管-多子多子通过通过热电子发射热电子发射跃过内建电势差，跃过

18、内建电势差，pn结二极管结二极管-少子扩散运动少子扩散运动。肖特基二极管的理想肖特基二极管的理想反向饱和电流反向饱和电流值比值比pn结大好几个数量级。结大好几个数量级。肖特基二极管的肖特基二极管的有效开启有效开启电压低于电压低于pn结二极管。结二极管。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结18 右图为肖特基二极管和右图为肖特基二极管和pn结二极结二极管的正偏管的正偏I-V特性曲线比较。特性曲线比较。 肖特基二极管的有效开启电压低肖特基二极管的有效开启电压低于于pn结二极管的有效开启电压。结二极管的有效开启电压。 主要原因是主要原因

19、是金半接触和金半接触和pn结中的结中的掺杂具有不同的势垒高度函数掺杂具有不同的势垒高度函数，但还存在着其他主要的不同。但还存在着其他主要的不同。 肖特基二极管与肖特基二极管与pn结二极管的第二个主要不相同点：结二极管的第二个主要不相同点：频率频率响应响应，即，即开关特性开关特性。 肖特基二极管是多子导电器件，其肖特基二极管是多子导电器件，其正偏时正偏时不产生扩散电容不产生扩散电容高频器件高频器件；正偏转向反偏正偏转向反偏时，也不存在少子的存储效应时，也不存在少子的存储效应快速开关器件快速开关器件。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异

20、质结19 欧姆接触欧姆接触 接触电阻很低接触电阻很低 在金属和半导体在金属和半导体两边都能形成电流两边都能形成电流 形成的电流是电压的形成的电流是电压的线性函数线性函数，电压要低，电压要低 两种常见欧姆接触：两种常见欧姆接触： 非整流接触非整流接触 隧道效应形成隧道效应形成高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结20 m s，金属与，金属与p型半导体结欧姆接触型半导体结欧姆接触接接触触前前接接触触前前接接触触后后接接触触后后热热平平衡衡热热平平衡衡考虑表面态影响，无法考虑表面态影响，无法形成良好的欧姆接触形成良好的欧姆接触高等半导体

21、物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结211/22sbiRndVVWxeN 金属金属-半导体接触的空间电荷宽度与半导体掺杂浓度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的平方根成反比反比。 随着掺杂浓度增加，耗尽层宽度减小，随着掺杂浓度增加，耗尽层宽度减小，隧道效应增隧道效应增强强；例；例9.7，重掺杂半导体耗尽层厚度数量级为埃，重掺杂半导体耗尽层厚度数量级为埃，隧道电流是结中的主要电流。隧道电流是结中的主要电流。 隧道电流为：隧道电流为：其中其中00expBnteJE002dsnNehEm高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第

22、九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结22 欧姆电阻的优势在于欧姆电阻的优势在于接触处电阻接触处电阻RC，定义：在零偏压时，电，定义：在零偏压时，电流密度对电压求导的倒数，即流密度对电压求导的倒数，即 对于由对于由较低半导体掺杂浓度较低半导体掺杂浓度形成的整流接触来说，电流形成的整流接触来说，电流-电压电压关系如下：关系如下：结中的结中的热发射电流热发射电流起主要作用。此时，单位接触电阻为起主要作用。此时，单位接触电阻为单位接触电阻随势垒高度的下降迅速减小单位接触电阻随势垒高度的下降迅速减小。120CVJRcmV2expexp1BnneeVJA TkTkT2expBnCe

23、kTekTRA T高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结23 对于具有对于具有高掺杂浓度高掺杂浓度的金属的金属-半导体结来说，半导体结来说，隧道效应隧道效应起主起主要作用。则单位接触电阻为要作用。则单位接触电阻为2expsnBnCdmRhN表明单位接触电阻是表明单位接触电阻是强烈依强烈依赖于半导体掺杂浓度赖于半导体掺杂浓度的函数。的函数。 右图是右图是Rc随半导体掺杂浓度变化的一随半导体掺杂浓度变化的一系列理论值。系列理论值。 掺杂浓度约大于掺杂浓度约大于1019cm-3，隧道效应隧道效应占主导地位占主导地位，Rc随随Nd呈指数规

24、律变化；呈指数规律变化； 掺杂浓度较低掺杂浓度较低时，时，Rc值由值由势垒高度势垒高度决决定，与掺杂浓度基本无关。定，与掺杂浓度基本无关。 图中还绘出了实验数据。图中还绘出了实验数据。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结24 异质结由异质结由两种具有不同禁带宽度两种具有不同禁带宽度的材料组成。的材料组成。 结表面的能带是结表面的能带是不连续不连续的。的。 突变结：半导体由一个窄禁带宽度材料突变结：半导体由一个窄禁带宽度材料突变突变到宽到宽禁带宽度材料形成的结。禁带宽度材料形成的结。 为形成一有用的异质结，两种材料的为形成一有用的

25、异质结，两种材料的晶格常数必晶格常数必须匹配须匹配。高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结25 根据带隙能量的关系，异质结有根据带隙能量的关系，异质结有3种可能：种可能：跨骑跨骑（图（图(a)）、）、交错交错（图（图(b)）、）、错层错层（图（图(c)）。）。 根据掺杂类型的不同，有根据掺杂类型的不同，有4种基本类型的异质结：种基本类型的异质结： 反型异质结反型异质结：掺杂类型变化，例：掺杂类型变化，例nP结、结、Np结结 同型异质结同型异质结：掺杂类型相同，例：掺杂类型相同，例nN结、结、pP结结 其中，大写字母表示较宽带隙的材

26、料其中，大写字母表示较宽带隙的材料窄带隙和宽带隙能量的关系窄带隙和宽带隙能量的关系: (a)跨骑；跨骑；(b)交错；交错；(c)错层错层高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结26PnceEggngPvcEEEEE真空能带与两个导带能级和价带能级平行，真空能级连续。真空能带与两个导带能级和价带能级平行，真空能级连续。接触前能带接触前能带高等半导体物理与器件高等半导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结27热平衡状态下的一个热平衡状态下的一个典型理想典型理想nP异质结异质结高等半导体物理与器件高等半

27、导体物理与器件第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结28nN异质结在热平衡状态下的理想能带图异质结在热平衡状态下的理想能带图为达到热平衡，电子从宽带隙为达到热平衡，电子从宽带隙材料流向窄带隙，在材料流向窄带隙，在临近表面临近表面的势阱处形成电子的堆积的势阱处形成电子的堆积。电子在势阱中能量是电子在势阱中能量是量子化量子化的。的。二维电子气二维电子气指电子在一个空间方向上（与界面垂直方向）有量子指电子在一个空间方向上（与界面垂直方向）有量子化的能级，同时也可向其他化的能级，同时也可向其他两个空间方向自由移动。两个空间方向自由移动。图（图（a）为导带）为导带边缘靠近突变结边缘靠近突变结表面处的能带表面处的能带图（图（b）三角形）三角形势阱的近似形状势阱的近似形状 0V xeEzz， 0