金属半导体接触幻灯片

1、1.第四章金属-半导体结。2.前言。金属-半导体结由金属-半导体接触形成。金属-半导体接触有两个最重要的效应：欧姆效应。如果它们有整流作用，就叫做整流触点。否则，它们被称为欧姆接触。这就是整流效应和由于金属-半导体接触而在半导体表面形成的“表面势垒”，通常称为“肖特基势垒”。所得的表面势垒整流结是形成通常的肖特基势垒二极管或热载流子二极管的基础。无论施加电压的极性如何，非整流结都具有低欧姆压降，并且不会发生整流效应。最重要的金属半导体器件是肖特基势垒二极管和肖特基势垒效应晶体管。3、肖特基势垒、表面势垒，当金属和半导体接触时，会发生载流子流动：这是由于金属和半导体中电子的能量状态不同，使得电子

2、从高能量的地方移动到低能量的地方。电子流方向取决于两者的“功函数”(溢出功)的相对大小。功函数：将电子从费米能级移动到真空能级所需的功亲和力：将电子从导带底部移动到真空能级所需的功。4.由于不同的功函数，半导体中的电子会交叉到金属上，使两者的费米能级相等。当n型半导体与功函数大于n型半导体的金属紧密接触时，金属的费米能级小于半导体的费米能级，半导体中的电子能量较大，一些电子可以容易地进入金属。金属因电子过多而带负电，半导体因缺少电子而带正电。金属中的负电荷以高密度电子的形式存在。在N型半导体正电荷的吸引下，这些多余的电子集中在界面的薄金属层中。半导体中的正电荷以施主离子的形式出现，这些施主离子

3、分布在一定厚度的区域中，形成空间电荷区。空间电荷区的能带将弯曲形成势垒。当势垒高度增加到可以穿过势垒并进入N区半导体中的金属的电子数量与可以穿过势垒并从金属进入N型半导体的电子数量相同时，达到平衡，并且当达到平衡时，金属和半导体的费米能级也应该是水平的。整个势垒主要位于半导体表面，在金属区域非常薄。这种势垒被称为表面势垒，金属在此处与半导体接触，即肖特基势垒。势垒中的电场从N型半导体指向金属。6、达到热平衡时，形成稳定的自建电场和自建电位。半导体的能带向上弯曲，形成一个屏障，防止半导体中的电子与金属交叉。自建势为：从金属流向半导体的电子需要穿过的势垒为：如图(b)所示：7。对于P型半导体，例如

4、P型半导体，功函数大于金属的功函数。当与金属紧密接触时，金属中的电子流向半导体(或半导体中的空穴流向金属)，因此金属带正电，半导体带负电。这些负电荷以离子化受体杂质的形式分布在靠近P型半导体表面的空间电荷区中，并且P型半导体的电场方向从金属指向半导体，因此该表面势垒阻止空穴从半导体流向金属。8，2偏置肖特基势垒，无偏置，正向偏置，反向偏置，金属，半导体，9，整流效应。如果在紧密接触的金属和半导体之间施加电压，由于表面势垒的作用，施加正向和反向电压时产生的电流大小不同，则存在整流效应。当正电压施加到金属而负电压施加到半导体时，N型半导体的势垒高度降低，并且从N型半导体到金属的电子流大大增加，以成

5、为金属-半导体整流触点的正电流。相反，随着障碍物的高度对于均匀掺杂半导体，肖特基势垒的空间电荷区宽度为：结电容为：11。在半导体表面的禁带中有一个表面态，相应的能级称为表面能级。根据能量，表面状态通常是连续分布的，其特征在于中等性能水平E0。表面态一般分为施主型和受主型。如果当被电子占据时能级是电中性的(被占据的界面态高达E0并且E0之上的态是空的)，则在释放电子后它被带正电，这被称为施主型表面态。如果能级为空时是中性的，它在接收电子后带负电，这被称为受体表面态。两个界面态对势垒高度的影响，12，图4-4费米能级被表面态钳制，13。在大多数实际的肖特基势垒中，界面状态决定了决定 b的值，势垒高

6、度基本上与两个功函数之间的差异和半导体中的掺杂程度无关。通过实验观察到的屏障高度列于表4-1中。可以发现，大多数半导体的能量E0在离价带边缘Eg/3附近。在半导体中，势垒高度是一个经验值，因为状态的表面密度是不可预测的。根据库仑定律，镜像力为：金属表面x处的电子势能为：其中边界条件为x= E=0，x=0 E=-。15，界面附近的原始势垒近似视为线性，因此界面附近导带底部的势能曲线为：其中是表面附近的电场，等于势垒区的最大电场(内建电场和外加电场)。总能量为：可以看出，初始肖特基势垒在电子能量x=0时减小，这意味着肖特基势垒高度减小。这就是肖特基势垒的镜像力减少现象，也称为肖特基效应。16，17

7、，这表明在大电场下，肖特基势垒被镜像力大大降低。镜力降低了肖特基势垒的高度，前提是电子存在于金属表面的半导体导带中。因此，当测量势垒高度时，如果所使用的方法涉及金属和半导体之间的电子传输，则测量结果是：如果测量方法仅涉及耗尽层的空间电荷并且不涉及电子的传输(例如电容法)，则测量结果不受镜力的影响。19、空穴也产生镜像力，其作用是使价带顶部附近的半导体能带向上弯曲，如图4-6所示。然而，价带顶部没有导带底部那样极端，导致接触处的带更窄。4.7肖特基势垒二极管和PN结二极管比较，1)肖特基势垒：的高工作频率和开关速度没有小的字存储效应，因此频率特性不受电荷存储效应的限制，而只受RC时间常数(=RC

8、)的限制。从正向偏置到反向偏置，存储的少数载流子不能立即消失，速度受到少数载流子存储效应的限制。因此，肖特基二极管非常适合高频和快速开关应用。(少数载流子存储效应是电荷存储，pn结是少数器件，加上正向偏压(P是正的，N是负的)，使得N区中的电子通过空间电荷区漂移到P区的边界，并且P区中的空穴到达N区的边界以形成少数载流子累积，即电荷存储效应)， 21，3)低直流电压降由于肖特基势垒二极管中的饱和电流比相同面积的PN结二极管高得多，所以对于相同的电流，肖特基势垒上的正向电压降比PN结上的低得多。 右图显示了铝硅肖特基势垒二极管和PN结二极管的伏安曲线。肖特基势垒二极管的导通电压一般为0.3v硅P

9、N结为0.6-0.7v，2)大饱和电流肖特基二极管为多子器件，而PN结二极管为少子器件，多子电流远大于少子电流，即肖特基势垒二极管中的饱和电流远大于相同面积PN结二极管的饱和电流。22，低导通电压通过使用前面讨论的保护环或金属搭接结构，可以消除非理想的反向特性。4)正偏压下，肖特基势垒和PN结的温度依赖性不同。23、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、10-1、1、10-3、10-2、10-1、10-2、dv/dt (mv/)、电流密度/(A/cm2)、硅肖特基势垒、硅PN结、温度系数与正向偏置电流密度的关系，温度系数差可视为0.4mv/。肖特基势垒二极管具有更稳定的温度特性。在设计使用两种二极管的电路时，应考虑这种差异。0.4，实验结果：24，4.8肖特基势垒二极管应用，肖特基势垒二极管应用，多子