半导体器件原理第三章

半导体器件原理第三章第一页，共61页。第三章：金属半导体和半导体异质结3.1肖特基势垒二极管3.2金属—半导体的欧姆接触3.3异质结3.4小结2第二页，共61页。能带图Φ:功函数，单位为伏特。从费米能级将一个电子移到刚巧在该种材料之外的一个位置（真空能级）所需的能量。Χ：电子亲和能，单位伏特。从导带底将一个电子移到刚巧该种材料之外的一个位置（真空能级）所需的能量。参数符号金属功函数半导体功函数电子亲和能肖特基势垒内建电势差真空能级EcEFEFiEvEF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。第三页，共61页。部分金属和半导体的参数元素功函数，ΦmAg4.26Al4.28Au5.1Cr4.5Mo4.6Ni5.15Pd5.12Pt5.65Ti4.33W4.55元素电子亲和能，χGe4.13Si4.01GaAs4.07AlAs2.5第四页，共61页。3.1肖特基势垒二极管肖特基二极管是以其发明人华特‧肖特基博士（WalterHermannSchottky，1886年7月23日—1976年3月4日）命名的，SBD是肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode,缩写成SBD）的简称。SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体整流接触形成的金属－半导体结原理制作的。因此，SBD也称为金属－半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管。肖特基二极管是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右，而整流电流却可达到几千毫安。这些优良特性是快恢复二极管（简称FRD）所无法比拟的。5第五页，共61页。全球知名半导体制造商ROHM开发出非常适用于服务器和高端计算机等的电源PFC电路的、第3代SiC（Silicon

Carbide:碳化硅）肖特基势垒二极管最低正向电压VF=1.35V、25℃近年来，在太阳能发电系统、工业用各种电源装置、电动汽车及家电等电力电子领域，为提高功率转换效率以实现进一步节能，更高效率的功率元器件产品备受期待。SiC器件与以往的Si器件相比，具有优异的材料特性，在这些领域中的应用日益广泛。尤其是在服务器等这类要求更高电源效率的设备电源中，SiC-SBD产品因其快速恢复特性可有效提高效率而被用于PFC电路来提高设备效率。第六页，共61页。3.1肖特基势垒二极管接触前：半导体费米能级高于金属，半导体中的电子流向比它能级低的金属中，而带正电的空穴仍留在半导体中，从而形成一个空间电荷区（耗尽层）。半导体导带中得电子向金属中移动存在势垒Vbi，就是半导体的内建电势差：7理想肖特基势垒：带边相对于参考能级(真空电子能级)位置不变考虑金属与n型半导体接触参数ΦB0是半导体接触的理想势垒高度（肖特基势垒）：Φm>Φs第七页，共61页。外加电压后，金属和半导体的费米能级不再相同，二者之差等于外加电压引起的电势能之差反偏情况下，半导体-金属势垒高度增大，金属一边的势垒不随外加电压而改变，即：φB0不变。反偏势垒变高为：Vbi+VR半导体一边，加正偏，势垒降低为Vbi-Va。φB0仍然不变。肖特基势垒的能带图（a）未加偏压（b）加正向偏压（c）加反向偏压可以看到在偏压下，肖特基结的势垒高度变化情况与pn结类似第八页，共61页。

φM>φS，整流接触正偏：半导体势垒高度变低，电子从S注入M，形成净电流I，I随VA的增加而增加。反偏：势垒升高，阻止电子从半导体向金属流动，金属中的一些电子能越过势垒向半导体运动，但这一反向电流很小。结论：φM>φS时，理想的MS接触类似于pn结二极管，具有整流特性。肖特基二极管：正偏时，半导体中电子形成的势垒减小，作为多子的电子更容易从半导体流向金属。第九页，共61页。理想结特性 用与处理pn结类似的方法来确定肖特基结的静电特性 假定半导体掺杂均匀空间电荷密度半导体介电常数边界条件：x=xn时，E=0第十页，共61页。空间电荷区宽度在突变结近似的条件下求出空间电荷区宽度若在整个耗尽区内为Nd常数，做V关系应该为直线。单位面积的耗尽层电容第十一页，共61页。解

Ge电子亲和势为：χ=4.13eV，耗尽区宽度为：

例受主浓度为Na=1017cm-3的p型Ge，室温下的功函数是多少？若不考虑界面态的影响，它与Al接触时形成整流接触还是欧姆接触？如果是整流接触，求其肖特基势垒的高度。第十二页，共61页。肖特基模型预言的势垒高度很难在实验中观察到,实测的势垒高度和理想条件存在偏差.原因:1)不可避免的界面层δ≠02)界面态的存在3)镜像力的作用3.1肖特基势垒二极管第十三页，共61页。3.1肖特基势垒二极管镜像力对势垒高度的影响（肖特基效应）界面态的影响14影响肖特基势垒高度的非理想因素第十四页，共61页。3.1肖特基势垒二极管非理想因素镜像电荷电子一、镜像力对势垒高度的影响在金属-真空系统中，一个在金属外面的电子，要在金属表面感应出正电荷，同时电子要受到正电荷的吸引；镜像力和镜像电荷：若电子距离金属表面的距离为x，则电子与感应正电荷之间的吸引力相对于位于（-x）处时的等量正电荷之间的吸引力。正电荷叫镜像电荷，吸引力叫镜像引力。第十五页，共61页。

金属--真空系统金属功函数为qφm，当金属表面加电场时，有效功函数(或势垒)降低。这种降低来自电场和镜象力的联合效应。1.无电场时，将金属中的电子移到真空，需要能量qφm。2.以金属表面为势能零点。3.有外加电场，不考虑镜像力，真空中的电子的电势能随着离开金属表面的距离增加，按照--q|E|x降低。4.若考虑到真空中电子在金属表面感生的正电荷，有镜像力和镜像势能存在。5.结果，电子的能量由电场力和镜像力联合作用，使有效功函数降低。在金属表面和真空之间的能带图。第十六页，共61页。真空中一个电子与金属相距x，在金属表面感生正电荷，电子与感生电荷之间的吸引力（镜像力）将一个电子从无穷远移到x点过程中所作的功：相当于距金属表面x处的一个电子势能。第十七页，共61页。电势表达式：半导体中存在内建电场和内建电势，总电势电势能为：第十八页，共61页。肖特基效应：势垒的镜像力降低19在无穷远处电势为0在电介质中距离x处的电子能够形成电场，电场线与金属表面必须垂直，与另一个置于与金属表面同样距离的假想电荷（+e）形成的电场线相同假设不存在电场时的电势能曲线。在恒定电场影响下，电子的势能曲线第十九页，共61页。镜像力的势能将叠加到理想肖特基势垒上，势能在x=xm处出现最大值，【镜像力和电场力平衡的地方】，说明镜像力使肖特基势垒顶向内移动，并且引起势垒高度降低，这就是肖特基势垒的镜像力降低现象，又叫做肖特基效应。第二十页，共61页。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3.1肖特基势垒二极管非理想因素在高电场下，肖特基势垒大大降低。第二十一页，共61页。3.1肖特基势垒二极管非理想因素二、界面态对势垒高度的影响

实验发现，很多半导体在与金属形成金--半接触时，半导体中的势垒高度几乎与所用金属无关，只与半导体有关，几乎是常数。理想MS接触认为接触势垒仅由金属的功函数决定，实际上半导体表面存在的表面态对接触势垒有较大影响。表面态位于禁带中，对应的能级称为表面能级，表面态分为施主型和受主型两类。若能级被电子占据时呈电中性，释放电子后呈正电，称为施主型表面态。若能级空着时呈电中性，而接受电子后呈负电，称为受主型表面态。第二十二页，共61页。3.1肖特基势垒二极管非理想因素界面态的影响施主型表面态：能级释放电子后显正电性。受主型表面态：能级接受电子后显负电性。23表面态的电中性能级第二十三页，共61页。电中性条件 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；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3.1肖特基势垒二极管非理想因素第二十四页，共61页。与pn结不同，主要靠多数载流子的运动来决定电流的情况。电流-电压关系25电流输运过程正偏电压下的五种基本输运过程从半导体→金属，越过势垒（中等掺杂，中等温度主要过程）穿过势垒，量子隧穿（重掺杂，低温，主要针对欧姆接触在空间电荷区扩散在耗尽区内电子扩散空穴从金属注入并扩散到半导体（相当于中性区的复合）其它：

边缘漏电流，界面电流第二十五页，共61页。1、从半导体→金属，越过势垒高迁移率半导体→热发射理论低迁移率半导体→扩散理论二者综合：广义的热电子扩散理论两个过程：电子扩散漂移通过耗尽层，再从半导体向金属发射第二十六页，共61页。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。3.1肖特基势垒二极管电流电压关系1)热电子发射理论(Bethe提出,通常的高迁移率半导体,Si,GaAs)第二十七页，共61页。3.1肖特基势垒二极管电流电压关系电流流过热电子发射过程的输运第二十八页，共61页。电子由半导体流向金属所引起的电流密度可表示为： 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： 其中N(E)为导带的态密度，F(E)为费米－狄拉克概率分布函数3.1肖特基势垒二极管电流电压关系第二十九页，共61页。假设仍然满足麦克斯韦－玻尔兹曼近似条件，则有：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：从半导体向金属的净电流密度为3.1肖特基势垒二极管电流电压关系第三十页，共61页。其中A*为有效理查德森常数正偏条件下金属－半导体之间形成肖特基结的能带图及其电路符号3.1肖特基势垒二极管电流电压关系第三十一页，共61页。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：由热平衡总电流为零知：第三十二页，共61页。电流的正方向定义ms，因此可得：上述方程也可表示为通常二极管电流方程形式，即：和pn结相同的电流变化规律3.1肖特基势垒二极管电流电压关系第三十三页，共61页。其中：

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。A*和有效质量有关，实际是与状态密度有关3.1肖特基势垒二极管电流电压关系第三十四页，共61页。3.1肖特基势垒二极管与PN结比较肖特基势垒二极管反向饱和电流密度：理想pn结二极管反向饱和电流密度：虽然J-V形式很相似，但反向饱和电流密度有很大差异1、电流输运机构不同。pn结二极管的反偏电流主要由少数载流子的扩散运动决定的，而肖特基二极管中得电流由多数载流子通过热电子发射跃过内建电势差而形成的。Pn结比肖特基二极管小2~3个数量级。35第三十五页，共61页。3.1肖特基势垒二极管与PN结比较36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左右第三十六页，共61页。3.1肖特基势垒二极管与PN结比较2.两种二极管正偏时的特性也不同，肖特基二极管的开启电压低于pn结二极管的有效开启电压。3.二者的频率响应特性，即开关特性不同。pn结从正偏转向反偏时，由于正偏时积累的少数载流子不能立即消除，开关速度受到电荷存储效应的限制；肖特基势垒二极管，由于没有少数载流子存储，可以用于快速开关器件，开关时间在皮秒数量级，其开关速度受限于结电容和串联电阻相联系的RC延迟时间常数。工作频率可高达100GHz，而pn结的开关时间是纳秒数量级。第三十七页，共61页。3.1肖特基势垒二极管与PN结比较开关特性pn结二极管靠少子扩散运动形成电流，外加正偏电压时少子首先形成一定的积累，再靠扩散运动形成电流。肖特基二极管的电流取决于多子通过内建电势的发射电流。外加正偏电压时直接形成漂移电流流走。38第三十八页，共61页。第三章：金属半导体和半导体异质结3.1肖特基势垒二极管3.2金属—半导体的欧姆接触3.3异质结3.4小结39第三十九页，共61页。3.2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，理想状态下，欧姆接触所形成的电流是电压的线性函数。两种欧姆接触：使表面不产生势垒的接触隧道效应40第四十页，共61页。EcEFEFiEvEFEcEvEFEcEFEvEFEFEcEv理想非整流接触N型（半导体）欧姆接触：金属功函数小于半导体功函数偏压下电子在金属-半导体界面传输时，遇到的势垒很小N型欧姆接触往往采用功函数较小的金属，如Al3.2金属-半导体的欧姆接触第四十一页，共61页。EcEFEFiEvEFEcEvEFEcEFEFiEvEFEcEvEFP型（半导体）欧姆接触：金属功函数大于半导体的功函数偏压下电子在金属-半导体界面传输时，遇到的势垒很小P型欧姆接触往往采用功函数较大的金属，如Pt3.2金属-半导体的欧姆接触第四十二页，共61页。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。第四十三页，共61页。前述没有考虑界面态的影响。实际由于界面态的影响，很难很好的形成欧姆接触.因此，实际的欧姆接触采用隧道效应。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。443.2金属-半导体的欧姆接触隧道效应第四十四页，共61页。利用隧道效应形成欧姆接触：高掺杂薄势垒强隧道效应欧姆接触EcEFEvEF掺杂浓度增大，隧道几率增大有效质量越小，越利于隧穿隧道电流和势垒高度也有关系n++nM隧道电流：隧道电流随掺杂浓度的增大而指数增大。3.2金属-半导体的欧姆接触隧道效应第四十五页，共61页。接触电阻接触电阻Rc 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：I-V曲线在零偏下斜率的倒数对于低掺杂金-半接触来说，接触电阻强烈依赖于势垒高度ΦBn3.2金属-半导体的欧姆接触比接触电阻第四十六页，共61页。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：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。高掺杂的金属-半导体结的接触电阻强烈依赖于掺杂浓度3.2金属-半导体的欧姆接触比接触电阻Rc随Nd呈指数规律变化。第四十七页，共61页。扩散界面和合金化实际金属-半导体界面总是一个过渡界面，这来源于金属和半导体原子的相互扩散（典型为10个原子层厚度）在一定温度（200oC~800oC）进行退火会加剧这种互扩行为，从而使过渡区更宽。金属-半导体原子之间可能只是简单共熔，也可能形成由特定比例金属原子和半导体原子构成的化合物，如硅化物；硅化物一般为多晶态，大小与金属的晶粒相当，表现出金属性。由于退火导致金属扩散至半导体内部，形成金属化的硅化物区域，因而避开了表面沾污，表面悬挂键形成的表面态的影响，因而可以更稳定的形成欧姆接触。3.2金属-半导体的欧姆接触比接触电阻第四十八页，共61页。一般而言，无论是哪种欧姆接触方式，都要求半导体尽量高的掺杂浓度一般需要在一定的温度下进行退火实际的欧姆接触制作往往极端依赖于半导体材料的重掺杂，表面处理、金属和退火工艺。实际经验在欧姆接触的制备过程中是非常重要的。3.2金属-半导体的欧姆接触比接触电阻第四十九页，共61页。第三章：金属半导体和半导体异质结3.1肖特基势垒二极管3.2金属—半导体的欧姆接触3.3异质结3.4小结50第五十页，共61页。3.3异质结形成异质结的材料以前讨论的pn结，是由导电类型相反的同一种半导体单晶体材料组成，也称同质结。半导体异质结是指由两种不同的半导体材料构成的结；由于形成异质的两种材料通常具有不同的禁带宽度和电子合能，异质结的能带图是可以多种多样的；与两种材料的不同性质相连系，异质结具有许多独特的性质。不仅能给器件的设计提供更多的自由度，而且可能提供新的技术利用。51第五十一页，共61页。一个良好的异质结要求有小的界面态密度；过高的界面态密度会使异质的电学性质劣化，这是许多异质结常常面临的问题，形成异质结的两种材料的晶格常数应是相近的，晶格常数的失配会在界面产生大量的悬挂键，从而形成大量界面态。半导体异质结构的形成往往依赖于高精度的外延技术，如MBE、MOCVD等。半导体异质结可根据材料的导电类型分成同型异质结和异型异质结。第五十二页，共61页。导电类型相同的材料构成的异质结称为同型异质结； 如：n-NGe-Si，n-NSi-GaAs，p-PSi-GaP；导电类型相反的材料构成的异质结称为异型异质结； 如：p-NGe-GaAs,n-PGe-GaAs； 在以上所用的符号中，一般都是将禁带宽度较小的材料写在前面。3.3异质结能带图第五十三页，共61页。由于构成异质结的是不同的材料，它们的晶格常数一般是不相同的，所以在异质结中晶格失配是不可避免的。由于晶格失配，在两种半导体材料的交界处产生了悬挂键引入界面态;3.3异质结能带图在异质结交界面处，在晶格常数小的半导体中出现了一部分不饱和悬挂键。第五十四页，共61页。理想突变异质结：假设两种材料晶体结构、晶格常数、热膨胀系数相同，忽略悬键的产生和界面态。分析几种同型和异型异质结。通常设右侧材料具有较宽的带隙。第五十五页，共61页。几种不同的异质结能带组合方式不同的能带组合方式结合不同的导电类型组合，形成了种类丰富的异质结结构跨骑、交错