金属半导体结PPT课件

1、 引言引言p 金属金属- -半导体结器件是应用于电子学的最古老的固态器件。半导体结器件是应用于电子学的最古老的固态器件。p 18741874年，布朗（年，布朗（BrawnBrawn）就提出了金属与硫化铅晶体接触具有不对称的导电特性。）就提出了金属与硫化铅晶体接触具有不对称的导电特性。p 19061906年，皮卡德（年，皮卡德（PickardPickard）获得了硅点接触整流器专利。）获得了硅点接触整流器专利。p 19071907年，皮尔斯（年，皮尔斯（PiercePierce）提出，在各种半导体上溅射金属可以制成整流二极）提出，在各种半导体上溅射金属可以制成整流二极管。管。第1页/共82页 引

2、言引言p 二十年代，出现钨二十年代，出现钨- -硫化铅点接触整流器和氧化亚铜整硫器。硫化铅点接触整流器和氧化亚铜整硫器。p 19311931年，肖特基年，肖特基(Schottky)等人提出等人提出M-SM-S接触处可能存在某种接触处可能存在某种“势垒势垒”的想法。的想法。p 19321932年，威尔逊年，威尔逊（Wilson）等用量子理论的隧道效应和势垒的概念解释了等用量子理论的隧道效应和势垒的概念解释了M-SM-S接接触的整流效应。触的整流效应。p 19381938年，肖特基和莫特年，肖特基和莫特（Mott）各自独立提出电子以漂移和扩散方式越过势垒观各自独立提出电子以漂移和扩散方式越过势垒观

3、点。塔姆点。塔姆（Tamm）提出表面态概念。提出表面态概念。第2页/共82页 引言引言p 19471947年，巴丁（年，巴丁（BardeinBardein）提出巴丁势垒模型。）提出巴丁势垒模型。p 5050年代，由于点接触二极管的重复性很差，大多数情况下它们已由年代，由于点接触二极管的重复性很差，大多数情况下它们已由PNPN结二极管所结二极管所代替。代替。p 7070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- -半导体半导体接触，使金属接触，使金属- -半导体结器件获得迅速的半导体结器件获得迅速的发展和应用发展和应

4、用。第3页/共82页 引言引言p 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。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。p 非整流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，因为所有非整流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。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。第4页/共82页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒第四章第四章 金属金属-半导体结半导体结第5页/共82页4 4.1 .1 肖特基势垒肖特基势垒 一、肖特基势垒形成（考虑一、肖特基

5、势垒形成（考虑金属与金属与N N型半导体型半导体） 半导体功函数半导体功函数 金属功函数金属功函数 半导体电子亲和势半导体电子亲和势 假设半导体表面没有表面态，能带直到表面平直。假设半导体表面没有表面态，能带直到表面平直。 自建电势差自建电势差 肖特基势垒高度肖特基势垒高度mqSqSmqqS（4-1） （4-3） lnlnCCncFTTdNNVEEqVVnN（4-4） sm0nbV0smbxqq（4-2） 第6页/共82页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒 二、加偏压肖特基势垒二、加偏压肖特基势垒(小结小结4)正偏压正偏压：半导体上相对于金属加：半导体上相对于金属加负负电压电压 , 半导体半

6、导体-金属金属之间电势差减少为之间电势差减少为 ， 变成变成 .反偏压反偏压：半导体上加：半导体上加正正电压电压 ,势垒提高到势垒提高到VV00q0()qVRV)(0RVq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qVbqRqV0()qV0qbqbq第7页/共82页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒 p 均匀掺杂半导体，空间电荷区宽度均匀掺杂半导体，空间电荷区宽度( (类似类似 ) )NP 21002dRqNVkW（4-5） p 结电容AVNqkWAkCRd210002（4-6） 020221RdVANqkC（4-7） 第8页/共82页4.1 4.1 肖特

7、基势垒肖特基势垒 p与与P-NP-N结情形一样，给出结情形一样，给出 与与 关系曲线关系曲线, , 得直得直线关系线关系, ,可以计算出自建电势和半导体的掺杂浓度。可以计算出自建电势和半导体的掺杂浓度。21 CRV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 1 0 1 2 3 4 0 2 4 6 8 10 12 14 1/C2 （cm2/F）21015 VR（V） 钨 砷化镓钨 硅第9页/共82页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒 例题：从图例题：从图4-34-3计算硅肖特基二极管的施主浓度、自建电计算硅肖特基二极管的施主浓度、自建电势和势和 势垒高度。势垒高度。 解解

8、 利用（利用（4-74-7）式）式 图图4-34-3中电容按单位面积表示，中电容按单位面积表示， 。求得。求得 22020201212CVAqkCdVdAqkNRRd1A2151,16 10RVVC时2152110.6 10RVVC时，162215212.17 10()4.6 101RVVFcmC第10页/共82页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒 从图从图4-34-319152.8 10ln0.026ln0.24(V)2.6 10cnTdNVVNV4 . 0000.40.240.64(V)bnV16153d19142 2.17 10N2.6 10 (cm )1.6 1011.8 8.84

9、10第11页/共82页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒 小结小结1.1.金属金属-半导体接触出现两个最重要的效应：整流效应和半导体接触出现两个最重要的效应：整流效应和欧姆效应。前者称整流接触，又叫做整流结。后者称欧欧姆效应。前者称整流接触，又叫做整流结。后者称欧姆接触，又叫做非整流结。姆接触，又叫做非整流结。2.2.热平衡情况下肖特基势垒能带图。热平衡情况下肖特基势垒能带图。3.3.半导体空间电荷层自建电势半导体空间电荷层自建电势肖特基势垒高度肖特基势垒高度sm0smbxqqnbV0lnlnCCncFTTdNNVEEqVVnN第12页/共82页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒 小结小结

10、4 4. . 加偏压的肖特基势垒能带图与单边突变加偏压的肖特基势垒能带图与单边突变PNPN结类似结类似. .正偏正偏压下半导体一边势垒的降低使得半导体中的电子更易于压下半导体一边势垒的降低使得半导体中的电子更易于移向金属，能够流过大的电流。在反向偏压条件下，半移向金属，能够流过大的电流。在反向偏压条件下，半导体一边势垒被提高。被提高的势垒阻挡电子由半导体导体一边势垒被提高。被提高的势垒阻挡电子由半导体向金属渡越。流过的电流很小。这说明肖特基势垒具有向金属渡越。流过的电流很小。这说明肖特基势垒具有单向导电性即整流特性。单向导电性即整流特性。5. 5. 由于金属中具有大量的电子，空间电荷区很薄，因

11、此由于金属中具有大量的电子，空间电荷区很薄，因此加偏压的的肖特基势垒能带图中加偏压的的肖特基势垒能带图中 几乎不变。几乎不变。6. 6. 解解PoissonPoisson方程可得肖特基势垒的空间电荷区宽度方程可得肖特基势垒的空间电荷区宽度bq21002dRqNVkW第13页/共82页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒 小结小结 7. 7. 肖特基势垒结电容肖特基势垒结电容8. 8. 与单边突变与单边突变PNPN结公式相同结公式相同, , 与与P-NP-N结情形一样，可由结情形一样，可由 与与 的关系曲线求出自建电势和半导体的掺杂情况。的关系曲线求出自建电势和半导体的掺杂情况。AVNqkWAk

12、CRd210002020221RdVANqkC21 CRV第14页/共82页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒 教学要求教学要求 了解金属了解金属半导体接触出现两个最重要的效应半导体接触出现两个最重要的效应. . 画出热平衡情况下的肖特基势垒能带图。画出热平衡情况下的肖特基势垒能带图。 掌握公式掌握公式sm0nbV021002dRqNVkWAVNqkWAkCRd210002020221RdVANqkC第15页/共82页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒 教学要求教学要求 画出加偏压的的肖特基势垒能带图，根据能带图解释肖画出加偏压的的肖特基势垒能带图，根据能带图解释肖特基势垒二极管的整流特性

13、特基势垒二极管的整流特性为什么偏压情况下为什么偏压情况下 不变？不变？ 由由 与与 的关系曲线求自建电势和半导体掺杂。的关系曲线求自建电势和半导体掺杂。v作业：作业：4.14.1、4.24.2、4.34.3、4.44.4、4.54.5、bq21 CRV第16页/共82页4.2 4.2 界面态对势垒高度影响界面态对势垒高度影响第四章第四章 金属金属半导体结半导体结第17页/共82页4.2 4.2 界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响 4-4 4-4 被表面态钳制的费米能级被表面态钳制的费米能级第18页/共82页4.2 4.2 界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响 实际的肖特基二极

14、管中，在界面处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。态或表面态，位于禁带内。第19页/共82页4.2 4.2 界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响 界面态常按能量连续分布，用界面态常按能量连续分布，用中性能级中性能级 表征。如被占据的界面态高表征。如被占据的界面态高达达 ，而，而 以上空着，则这时的以上空着，则这时的表面为电中性表面为电中性。 也就是说，当也就是说，当 以下的状态空着时，表面荷正电，类似以下的状态空着时，表面荷正电，类似施主施主的作用；当的作用；当 以上的状态被占据时，表面荷负

15、电，类似以上的状态被占据时，表面荷负电，类似受主受主的作用。若的作用。若 与费米能级对准，与费米能级对准，则净表面电荷为零。则净表面电荷为零。0E0E0E0E0E0E第20页/共82页4.2 4.2 界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响 实际接触中，实际接触中， ，界面态的净，界面态的净电荷为正电荷为正，类似施主。，类似施主。 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。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。 结果，自建电

16、势被显著结果，自建电势被显著降低降低, , （图图4-44-4a a），），且势垒高度且势垒高度 也被降低，更小也被降低，更小的的 使使 更近更近 。0FEEbqbFE0E第21页/共82页4.2 4.2 界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响 类似，若类似，若 ，则在界面态中有，则在界面态中有负电荷负电荷，并使，并使 增加，使增加，使 和和 接近接近（图图4-44-4b b）。）。 因此因此 ，界面态的电荷具有，界面态的电荷具有负反馈负反馈效应，它趋向于使效应，它趋向于使 和和 接近。接近。 若界面态密度若界面态密度 很大很大, ,则费米能级实际上被钳位在则费米能级实际上被钳位在 （称

17、为（称为费米能级钉扎效费米能级钉扎效应应），而），而 变成与金属和半导体的功函数无关。变成与金属和半导体的功函数无关。0FEEbFE0EFE0E0Eb0E第22页/共82页4.2 4.2 界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响 多数实用的肖特基势垒中，多数实用的肖特基势垒中，界面态界面态在决定在决定 数值当中处于数值当中处于支配支配地位，势垒高度地位，势垒高度基本上与两个功函数差以及半导体中的掺杂度无关。基本上与两个功函数差以及半导体中的掺杂度无关。 实验观测到的势垒高度实验观测到的势垒高度, , 表表4-14-1, , 发现大多数半导体的能量发现大多数半导体的能量 在离开价带边在离开价

18、带边 附近。附近。b0E3gE第23页/共82页4.2 4.2 界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响 表表4-1 4-1 以电子伏特为单位的以电子伏特为单位的N N型半导体上的肖特基势垒型半导体上的肖特基势垒高度高度第24页/共82页4 4.3 .3 镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响第四章第四章 金属金属-半导体结半导体结第25页/共82页4 4.3 .3 镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响 一、镜像力降低肖特基势垒高度一、镜像力降低肖特基势垒高度（肖特基效应）（肖特基效应） 镜象力引起电子电势能镜象力引起电子电势能 边界条件边界条件2022021624xkqxk

19、qFxkqFdxxEx02116)(1,0 xE10,xE （4-8） （4-9） 第26页/共82页4 4.3 .3 镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响 原来理想肖特基势垒近似看成线性原来理想肖特基势垒近似看成线性, ,界面附近导带底界面附近导带底势能曲线势能曲线 为表面附近电场，等于势垒区最大电场（包内建为表面附近电场，等于势垒区最大电场（包内建电场和偏压电场）电场和偏压电场）, ,总势能总势能xqxE)(2 xqxkqxExExE022116)(（4-10） （4-11） 图4.5 (c), 原来理想肖特基势垒电子能量在 处下降，也就是使肖特基势垒高度下降。这就是肖特基势垒的镜

20、像力降低现象，又叫做肖特基效应。0 x第27页/共82页 4 4.3 .3 镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响 图图4-5 镜像力降低金属镜像力降低金属 半导体势垒半导体势垒 镜像力镜像力:半导体中金属表面x处的电子会在金属上感应出正电荷,这个正电荷称镜像电荷,电子与感应正电荷间的静电引力叫做镜像力.第28页/共82页4 4.3 .3 镜像力对势垒高度的影响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二、势垒降低的大小和发生的位置 设势垒高度降低位置发生在 处，势垒高度降低值mxbq 0dxxdE（4-12） 22020001 61 61 6mmmqqkxqkxqxk第29页

21、/共82页4 4.3 .3 镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响大电场下，肖特基势垒被镜像力降低很多大电场下，肖特基势垒被镜像力降低很多. .2016mbmmqE xqq xkx 004216kqxxkqxmmmb（4-13） 510,0.12,6,bmV cm qev xnm1710,1.2,1bmV cm qev xnm第30页/共82页4 4.3 .3 镜像力对势垒高度的影响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镜像力使肖特基势垒高度降低的前提前提是金属表面附近的半导体导带要有电是金属表面附近的半导体导带要有电子存在。子存在。 在测量势垒高度时，如果测量方法与电子在

22、金属和半导体间的在测量势垒高度时，如果测量方法与电子在金属和半导体间的输运输运有关，则有关，则所得结果是所得结果是 ；如果测量方法只与耗尽层的空间；如果测量方法只与耗尽层的空间电荷电荷有关而不涉及电有关而不涉及电子的输运（如电容方法），则测量结果不受镜像力影响。子的输运（如电容方法），则测量结果不受镜像力影响。bb第31页/共82页4 4.3 .3 镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响 空穴也产生镜像力空穴也产生镜像力，它的作用是使半导体能带的，它的作用是使半导体能带的价带顶附近向上弯曲，图价带顶附近向上弯曲，图4-64-6，但它不象导带底那样有，但它不象导带底那样有极值，结果使接触处

23、能带变窄。极值，结果使接触处能带变窄。FME 图 4-6镜像力对半导体能带的影响 第32页/共82页4 4.3 .3 镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响 小小结结1.1.镜像力使理想肖特基势垒的电子能量下降，也就是使镜像力使理想肖特基势垒的电子能量下降，也就是使肖特基势垒高度下降。这种效应叫做肖特基效应。肖特基势垒高度下降。这种效应叫做肖特基效应。2.2.作为一种近似把理想肖特基势垒半导体势垒区电子能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线性量看做线性3.3.据总能量和图据总能量和图4.5c4.5c解释了肖特基效应。解释了肖特基效应。4. 4. 肖特基势垒的降低值和总能

24、量最大值发生的位置肖特基势垒的降低值和总能量最大值发生的位置xqxE)(2 xqxkqxExExE022116)(04bqk 016mqxk 第33页/共82页4 4.3 .3 镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响教学要求教学要求什么是肖特基效应？解释肖特基效应的物理机制。什么是肖特基效应？解释肖特基效应的物理机制。根据总能量公式和图根据总能量公式和图4.54.5c c解释肖特基效应。解释肖特基效应。计算肖特基势垒的降低和总能量最大值发生的位置。计算肖特基势垒的降低和总能量最大值发生的位置。v作业：作业：4.84.8、4.94.9第34页/共82页4.4 肖特基势垒二极管电流电压肖特基

25、势垒二极管电流电压特性特性第四章第四章 金属金属-半导体结半导体结第35页/共82页4.4 肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性 p 热电子和热载流子二极管热电子和热载流子二极管 电子来到势垒顶向金属发射时，能量比金属电子高出约电子来到势垒顶向金属发射时，能量比金属电子高出约 。进入金属之后。进入金属之后, , 在金属中碰撞以给出多余能量之前，由于它们的等效温度高于金属中电子，因在金属中碰撞以给出多余能量之前，由于它们的等效温度高于金属中电子，因而把这些电子看成热的。而把这些电子看成热的。 肖特基势垒二极管有时称热载流子二极管。这些载流子在很短的时间内就肖特基势垒二极管有时

26、称热载流子二极管。这些载流子在很短的时间内就会和金属电子达到平衡，时间一般小于会和金属电子达到平衡，时间一般小于 . .ns1 . 0bq第36页/共82页4.4 肖特基势垒二极管电流电压特肖特基势垒二极管电流电压特性性 一、空间电荷区中载流子浓度的变化一、空间电荷区中载流子浓度的变化 非简并情况，导带电子浓度和价带空穴浓度非简并情况，导带电子浓度和价带空穴浓度FiEEKTinne（4-14） 半导体内热平衡时内部载流子浓度KTEEiKTEEiFiiFenpenn0000（4-15） iFEEKTipne第37页/共82页4.4 肖特基势垒二极管电流电压特肖特基势垒二极管电流电压特性性 表面空

27、间电荷区内，本征费米能级表面空间电荷区内，本征费米能级空间电荷区中载流子浓度空间电荷区中载流子浓度半导体与金属界面处半导体与金属界面处)()(0 xqExEii（4-16） TVxKTxqenenxn)(0)(0)(TVxKTxqepepxp)(0)(0)(（4-17） （4-18）TsVsenn0TsVsepp0取半导体内为电势零点，则表面势0s （4-20） （4-19） 第38页/共82页4.4肖特基势垒二极管电流电压特肖特基势垒二极管电流电压特性性 （4-21） （4-22） TbTTnTVcVVVcVseNeeNenn000TbVcSeNn外加电压时 TbVVcSeNn（4-23）

28、二、电流电压特性二、电流电压特性李查德-杜师曼（Richardson-dushman）方程（4-20） TsVsenn0第39页/共82页4.4 肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性 p单位时间入射到单位面积上的电子数即进入金属电子单位时间入射到单位面积上的电子数即进入金属电子数数p电子从半导体越过势垒向金属发射所形成的电流密度电子从半导体越过势垒向金属发射所形成的电流密度p同时电子从金属向半导体中发射的电流密度同时电子从金属向半导体中发射的电流密度（4-24） thSvn41mkTvth8mTVVthcSMevqNJb4TVthcMSevqNJb4（4-25） 热电子平均

29、热运动速度 为电子有效质量第40页/共82页4.4 肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性 p总电流密度总电流密度 导带有效状态密度导带有效状态密度 p热电子发射理论的电流热电子发射理论的电流电压关系电压关系 （4-27） 14TTbCVVVthMSSMeevqNJJJ（4-26） 323*22hKTmNC1102TTTbVVVVVeJeeTRJTbVeTRJ20*（4-28） 第41页/共82页4.4 肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性 p 有效里查森常数有效里查森常数 电子向真空中发射时的里查森常数，用半导体电电子向真空中发射时的里查森常数，用半导体

30、电子的有效质量代替自由电子质量而得到。子的有效质量代替自由电子质量而得到。 单位为单位为 ，数值依赖于有效质量，数值依赖于有效质量，N N型硅和型硅和P P型硅，分别为型硅，分别为110110和和3232；N N型和型和P P型型 ，分别为，分别为8 8和和7474。32*4*hqKmR（4-29） （4-30） 22cmKAGaAs2200*120*RR mmmmA cm K第42页/共82页4.4 肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性 p反向偏压，将（反向偏压，将（4-244-24）式中的）式中的 换成换成 即可得到反即可得到反向偏压下的电流向偏压下的电流电压关系。电压

31、关系。p正反两种偏压下的电流正反两种偏压下的电流电压关系可以统一式电压关系可以统一式 n n称为理想化因子，它是由非理想效应引起。对于称为理想化因子，它是由非理想效应引起。对于理想的肖特基势垒二极管，理想的肖特基势垒二极管， p两种肖特基二极管的实验电流两种肖特基二极管的实验电流电压特性示于图电压特性示于图4-74-7。（4-31） （4-32） VRV10TnVVeJJ10TnVVeII1n第43页/共82页4.4肖特基势垒二极管电流电压特肖特基势垒二极管电流电压特性性图图4.7 和和 肖肖脱脱基二基二极极管正向管正向电电流密度流密度与电压与电压的的对应关对应关系系SiW GaAsW 第44

32、页/共82页4.4 肖特基势垒二极管电流电压特肖特基势垒二极管电流电压特性性 正向正向 曲线延伸至曲线延伸至 ，可以求出参数，可以求出参数 ，可，可以用它和（以用它和（4-284-28) ) 式一起来求出势垒高度。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。对于理想化因子可由半对数曲线的斜率计算出来。对于SiSi二极管得到二极管得到 ， 二极管二极管n=1.04n=1.04。 （4-274-27）式较好地适于）式较好地适于 , , 和和 等常用半导等常用半导体材料作成的肖特基势垒。体材料作成的肖特基势垒。p以上分析说明，肖特基势垒电流基本上是由多子传导的，以上分析说明，肖特

33、基势垒电流基本上是由多子传导的，是一种是一种多子器件多子器件。VI 0V0J02. 1nGaAsGeSiGaAs第45页/共82页4.4肖特基势垒二极管电流电压特肖特基势垒二极管电流电压特性性 值得指出，据（值得指出，据（4-284-28），反向电流应为常数，这与实验数据出现偏差。原因），反向电流应为常数，这与实验数据出现偏差。原因之一镜像力作用。把之一镜像力作用。把 换成换成 ，则饱和电流改为，则饱和电流改为 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，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，特别是对特别是对反向偏压反向偏压情况的描述。情况的描

34、述。bbbTbbVeTRJ20*（4-33）第46页/共82页4.4肖特基势垒二极管电流电压特肖特基势垒二极管电流电压特性性三、少数载流子电流三、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。下的空状态而形成的。10TVVppeIIkTEpdVcppgeLNNNqADI0（4-34） （4-35） 硅这样的共价键半导体中 要比 小的多，结果是热电子发射电流通常远远大于少数载流子电流. bgE第47页/共82页4.4 肖特基势垒

35、二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性例例：一个肖特基势垒二极管，：一个肖特基势垒二极管， ，计算势垒高，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度和耗尽层宽度。比较多数载流子电流和少数载流子电流流. .解：图解：图4-74-7得得 31610cmNdsp61050105 . 6J2cmA2250110 300ln0.026ln0.676.5 10bTR TVVJVNNVVdCTn17. 0lnVVnb50. 017. 067. 00第48页/共82页4.4 肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性0RVscmDp236时31610cmNdcmDLpp

36、p3106211163210192010210106)105 . 1 (36106 . 1cmANLnqDJdpipp611500102 . 3102105 . 6PJJ50022 .61 0dkWc mq N 第49页/共82页4.4 肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性 小小结结 1. 1. 表面空间电荷区内载流子浓度表达式和半导体表面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载流子浓度表达式TVxenxn)(0)(TVxepxp)(0)(TsVsenn0TsVsepp0（4-17） （4-19） （4-18） （4-20） 第50页/共82页4.4肖

37、特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性 小结小结2. 2. 根据气体动力论给出了从半导体进入金属的电子流密根据气体动力论给出了从半导体进入金属的电子流密度度 3. 3. 电流电压特性电流电压特性李查德杜师曼（李查德杜师曼（Richardson-dushmanRichardson-dushman）方方程程4. 4. 金属进入到半导体的少子空穴扩散电流可以忽略。金属进入到半导体的少子空穴扩散电流可以忽略。（4-32） （4-31） thSvn41mkTvth810TnVVeJJ10TnVVeII第51页/共82页4.4 肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性教学要

38、求教学要求掌握概念：表面势、热电子、热载流子二极管、里查森掌握概念：表面势、热电子、热载流子二极管、里查森常数、有效里查森常数常数、有效里查森常数导出表面空间电荷区内载流子浓度表达式和半导体表面导出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载流子浓度表达式导出电流电压特性李查德杜师曼（导出电流电压特性李查德杜师曼（Richardson-Richardson-dushmandushman）方程方程结合例题，比较少子空穴电流与多子电流。结合例题，比较少子空穴电流与多子电流。v作业：作业：4.54.5、4.64.6、4.74.7、4.10 4.10 第52页/共82页4.5 肖特基

39、势垒二极管结构肖特基势垒二极管结构第四章第四章 金属金属-半导体结半导体结第53页/共82页4.5 肖特基势垒二极管结构肖特基势垒二极管结构 N 2SiO M （ a） 耗 尽 层 N N N 2SiO M （ b） N N 2SiO M （ c） p保 护 环 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。 第54页/共82页4.5 肖特基势垒二极管结构肖特基势垒二极管结构 N 2SiO M （ a） 耗 尽 层 N 图4-8 肖特基二极管结构p（a a）简单接触简单接触 N+ Si衬底, N型外延薄膜,清洁处理氧化,光刻开窗口,真空系统中蒸

40、发或贱射以淀积金属,光刻金属图形. 由于陡峭的边沿及Si-SiO2界面存在正的固定电荷,使这种简单结构不能提供良好的肖特基势垒特性这些因素使得在靠近周边的半导体耗尽区建立强电场，导致在拐角处有过量的电流这重拐角效应除了产生软的反向特性和低击穿电压外，还造成低劣的噪声特性第55页/共82页4.5 肖特基势垒二极管结构肖特基势垒二极管结构 N N 2SiO M （ b） 图4-8 肖特基二极管结构p（b b）采用金属搭接采用金属搭接 使金属搭接在氧化层上可消除周边效应这时电容下边的耗尽区得到修整,引起软击穿的陡沿被消除. 搭接区应当很小,不然附加的电容会降低二极管高频特性.第56页/共82页4.5

41、 肖特基势垒二极管结构肖特基势垒二极管结构 N N 2SiO M （ c） p保 护 环 图4-8 实用的肖特基二极管结构p（C C）采用保护环二极管采用保护环二极管 为了得到理想的电流电压特性,采用附加的P+扩散环,来降低边缘效应. 由于搭接结构较为简单,通常在集成电路中采用它更为合适.第57页/共82页4.6 4.6 金属金属- -绝缘体绝缘体- -半导体肖特基二极半导体肖特基二极管管第四章第四章 金属金属-半导体结半导体结第58页/共82页4.6 4.6 金属金属- -绝缘体绝缘体- -半导体肖特基二极半导体肖特基二极管管图4-9 MIS结构的能带图 p实际中,当金属被蒸发到化学制备的硅

42、表面时,在金属和半导体之间的界面上总有一层氧化层,氧化层很薄,一般为0.5到1.5nm.p在热平衡时,有一个电位降跨越在氧化层上,使得势垒高度被改变.第59页/共82页4.6 4.6 金属金属- -绝缘体绝缘体- -半导体肖特基二极半导体肖特基二极管管 p传导电流是由载流子隧道穿透氧化层所形成传导电流是由载流子隧道穿透氧化层所形成 从导带边缘算起的平均势垒高度，单位电子伏特。从导带边缘算起的平均势垒高度，单位电子伏特。 氧化层厚度，单位埃。 乘积无量纲， 一般情况，若外加电压不变，一般情况，若外加电压不变，薄氧化层薄氧化层只减少多只减少多数载流子电流，但不降低少数载流子电流。这导致少数数载流子

43、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。结果载流子电流与多数载流子电流的比率的增长。结果增加增加少数载流子的注入比少数载流子的注入比，这有利于改善诸如太阳电池和发，这有利于改善诸如太阳电池和发光二极光二极管等器件管等器件的性能。的性能。nKTqVKTqxeeeTARIb212*（4-36） x21x第60页/共82页4.7 4.7 肖特基势垒二极管和肖特基势垒二极管和 P-NP-N结二极管之间的比较结二极管之间的比较第四章第四章 金属金属-半导体结半导体结第61页/共82页4.7 4.7 肖特基势垒二极管和肖特基势垒二极管和P-NP-N结二极管之间的结二

44、极管之间的比较比较 p 肖特基势垒二极管是肖特基势垒二极管是多子器件多子器件 P-NP-N结二极管是结二极管是少子器件少子器件（1 1）在肖特基势垒中，由于）在肖特基势垒中，由于没有少数载流子贮存没有少数载流子贮存，因此，因此肖特基势垒二极管适于高频和快速开关的应用。肖特基势垒二极管适于高频和快速开关的应用。（2 2）肖特基势垒上）肖特基势垒上正向电压降正向电压降要比要比P-NP-N结上结上低低得多。低得多。低导通电压使肖特基二极管对于钳位和限辐的应用具有吸导通电压使肖特基二极管对于钳位和限辐的应用具有吸引力。引力。（3 3）肖特基势垒的）肖特基势垒的温度特性温度特性优于优于P-NP-N结。结

45、。 （4 4）噪声特性噪声特性优于优于P-NP-N结。结。（5 5）肖特基势垒二极管制造）肖特基势垒二极管制造工艺简单工艺简单。第62页/共82页4.7 4.7 肖特基势垒二极管和肖特基势垒二极管和P-NP-N结二极管之间的结二极管之间的比较比较第63页/共82页4.7 4.7 肖特基势垒二极管和肖特基势垒二极管和P-NP-N结二极管之间的结二极管之间的比较比较第64页/共82页4.7 4.7 肖特基势垒二极管和肖特基势垒二极管和P-NP-N结二极管之间的结二极管之间的比较比较 小结小结1.1.肖特基势垒二极管是多子器件，与肖特基势垒二极管是多子器件，与P-NP-N结二极管相比具有高频、高速，

46、低接通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电压，低温度系数和低噪声的特点 2.2.肖特基势垒二极管制造工艺比肖特基势垒二极管制造工艺比P-NP-N结二极管制造工艺简单得多。结二极管制造工艺简单得多。 第65页/共82页4.7 4.7 肖特基势垒二极管和肖特基势垒二极管和P-NP-N结二极管之间的结二极管之间的比较比较 教学要求教学要求 了解与结型二极管相比肖特基势垒二极管的主要特点。了解与结型二极管相比肖特基势垒二极管的主要特点。 v 作业作业4.10 4.10 第66页/共82页4.8 肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用第四章第四章 金属金属-半导体结半

47、导体结第67页/共82页4.8 肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用 一、一、肖特基势垒检波器或混频器肖特基势垒检波器或混频器p 肖特基二极管的等效电路肖特基二极管的等效电路 sr dC dr 图 4-12 肖特基二极管的等效电路 结电容 Cd串联电阻 rs 二极管结电阻（扩散电阻）dIdVrdp有效的检波器或混频器要求射频功率为二极管结电阻所吸收,且在串联电阻上功率耗散要小.第68页/共82页4.8 肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用 一、一、肖特基势垒检波器或混频器肖特基势垒检波器或混频器 串联电阻功率耗散和在结上相等串联电阻功率耗散和在结上相等 截止频率截止频率 高频运

48、用，高频运用， 、 和和 都应很小。如果半导体都应很小。如果半导体具有高杂质浓度和高迁移率，能够实现小的具有高杂质浓度和高迁移率，能够实现小的 。采。采用用 材料，工作频率接近材料，工作频率接近 是有可能的。是有可能的。222(1)1rj crc rZ Z2221ddcdsrCrrdSrrsddcrrC221（4-39） dCsrdrSrGaAsGHz100第69页/共82页4.8 肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用二、肖特基势垒钳位晶体管二、肖特基势垒钳位晶体管 第70页/共82页4.8 肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用p 肖特基势垒钳位晶体管肖特基势垒钳位晶体管 开关

49、晶体管饱和时，集电结正向偏置约开关晶体管饱和时，集电结正向偏置约0.50.5V V。若肖特基二极管上的正向压降若肖特基二极管上的正向压降（一般为（一般为0.30.3V V）低于晶体管基极低于晶体管基极 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，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1 1nsns。第71页/共82页4.8 肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用p 肖特基势垒钳位晶体管肖特基势垒钳位晶体管 肖特基势垒肖特基势垒钳钳位晶体管是按示于图位晶体管是按示于图4-134-13b b的结构以集成电路的形式实现的。的结构以集成电路的形式实现的。 铝在轻掺杂的铝在轻掺杂的N N型集电区上能形成极好的肖特基势垒，并同时在重掺杂的型集电区上能形成极好的肖特基势垒，并