第十四章-MS接触和肖特基二极管

第七章金属-半导体的接触7.1金属半导体接触及其能带图7.2金属半导体接触的整流理论7.3少数载流子的注入和欧姆接触7.1金属和半导体接触及其能带图金属N型半导体金属和n型半导体的能带图WmWs一、金属和半导体的功函数真空能级E0:电子完全脱离材料本身的束缚所需最小能量功函数：从费米能级到真空能级的能量差电子亲和势：从导带底到真空能级的能量差7.1金属和半导体接触及其能带图FBSFCSCMFmEEWEEEEW][00（表面）金属的功函数半导体的亲和势半导体的功函数7.1金属和半导体接触及其能带图元素功函数eVAl4.28Ag4.26Au5.1Mo4.6Ni5.15Pt5.65Ti4.33W4.55元素亲和势（eV)Si4.05Ge4.13GaAs4.07AlAs3.57.1金属和半导体接触及其能带图金属N型半导体金属和n型半导体接触前的平衡态能带图WmWs7.1金属和半导体接触及其能带图画能带图的步骤：1.画出包括表面在内的各部分的能带图2.使图沿垂直方向与公共的E0参考线对齐，并通过公共界面把图连起来3.不改变半导体界面能带的位置，向上或向下移动半导体体内部分的能带，直到EF在各处的值相等4.恰当地把界面处的Ec,Ei,Ev和体内Ec,Ev,Ei连接起来5.去除不重要的线7.1金属和半导体接触及其能带图接触形成后瞬间处于平衡态的能带电子从S流向M没有势垒，反之，仅有一小的势垒在两个方向都存在电子流动的势垒二、接触电势差qVD7.1金属和半导体接触及其能带图金属中的电子向半导体中运动存在势垒ns叫做肖特基势垒。nnsSMDEqWWqVmnsWq半导体导带中的电子向金属中移动存在势垒qVD，VD就是半导体内的内建电势例1：金属W与n型半导体Si接触，Si的掺杂浓度ND=1016cm-3,温度T=300K，求：（1）肖特基势垒高度（2）半导体内的内建电势解：(1)W的功函数：Wm=4.55eV,Si:=4.05eVns=Wm-=4.55-4.05=0.50eV(2)qVD=Wm-Ws=ns-EnVqEVeVNNkTEnnsDDCn29.0206.010108.2ln026.0ln1019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。金属一边的势垒不随外加电压而变，即ns不变半导体一边，加正偏，势垒降低为VD-VA反偏势垒变高为：VD+VR7.1金属和半导体接触及其能带图WmWs，整流接触正偏7.1金属和半导体接触及其能带图MS+反偏7.1金属和半导体接触及其能带图肖特基二极管WmWs，欧姆接触正偏：电子从半导体流向金属没有遇到势垒，VA0,就会有很大的正向电流反偏：电子从金属流向半导体会遇到小的势垒，反偏电压VR大于零点几伏，势垒就会变为0，在相对较小的反偏电压下，会有很大的电流。且电流不饱和结论：WmWs形成欧姆接触实际要形成欧姆接触时，要求半导体重掺杂，使空间电荷层很薄，发生隧道穿透。欧姆接触能带图7.1金属和半导体接触及其能带图整流接触欧姆接触金属和p型半导体接触的平衡态能带图7.1金属和半导体接触及其能带图mgFMcVCVFMnsmFMCWEEEEEEEWEE）界面）（）（界面）（界面）((7.1金属和半导体接触及其能带图金属一边的势垒高度：7.1金属和半导体接触及其能带图结论n形半导体p形半导体WmWs整流接触欧姆接触WmWs欧姆接触整流接触例2：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，求肖特基势垒的高度eVWNNkTEWEEEWeVGeAVgsVFgs69.410107.5ln026.067.013.4ln)(4.13Ge1718：解：形成欧姆接触形成整流接触,l41.0ln52.0)(52.028.413.467.0;,1.5,28.4GeAuVAFVnsDmgnsGeAlAuAWWeVNNkTqEEVeVWEWWeVWeVW三、界面态对势垒高度的影响前面讨论的理想MS接触，认为接触势垒仅由金属的功函数决定的，实际上，半导体表面存在的表面态对接触势垒有较大的影响。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，施放电子后呈正电，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。7.1金属和半导体接触及其能带图7.1金属和半导体接触及其能带图7.1金属和半导体接触及其能带图表面态存在一个距离价带顶为q0的中性能级：电子正好填满q0以下的所有表面态时，表面呈电中性；q0以下的表面态空着时，表面带正电，呈施主型；q0之上的表面态被电子填充时，表面带负电，呈现受主型。对于大多数半导体，q0约为禁带宽度的三分之一。7.1金属和半导体接触及其能带图假设在n型半导体表面存在表面态：当EF低于q0时，q0之下有一些态是空着的，表面呈正电，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，所以半导体的耗尽层中需要较少的电离施主来平衡。结果自建势被显著降低，金属一边的势垒也降低。7.1金属和半导体接触及其能带图半导体费米能级EF高于q0，则在q0和EF之间的能级基本上被电子填满，表面带负电。这样半导体表面附近必定出现正电荷，成为正的空间电荷区，结果形成电子的势垒，并使ns增加。外加偏压对两种MS结构的影响7.2金属和半导体接触的整流理论1.整流特性的定性分析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。金属一边的势垒不随外加电压而变，半导体一边，加正偏，势垒降低，反偏势垒变高。7.2金属和半导体接触的整流理论WMWs，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S向金属流动，金属中的一些电子能越过势垒向半导体中运动，但这一反向电流很小。结论：WMWs时，理想的MS接触类似于pn结二极管、具有整流特性7.2金属和半导体接触的整流理论平衡态能带图电荷密度分布电场分布电势分布2.肖特基二极管的特性SMBDCFCFBFCBbiNNkTqEEEEqVln)([1（1）内建电势（2）电荷、电场、电势分布1.静电特性7.2金属和半导体接触的整流理论3.I-V特性金属半导体结中的电流输运机制，不同于pn结中少数载流子决定电流的情况，而是主要取决于多数载流子。肖特基二极管的基本过程是电子运动通过势垒。这种现象可以通过热电子发射理论来解释。热电子发射现象基于势垒高度远大于k0T这一假定。7.2金属和半导体接触的整流理论Jsm是电子从半导体扩散到金属中的电流密度，Jms是电子从金属扩散到半导体中的电流密度。7.2金属和半导体接触的整流理论势垒并进入金属。这一电子就能越过表面满足：并且面方向的速度如果该电子具有指向界体内进入到耗尽区，考虑一个电子从半导体。界面并指向半导体方向坐标垂直于假定)(21,MS2*aDxnxxVVemxsmmsCnCkTEECncxmsJJJEEmEdEeEEhmdEEfEgdnndqJFcE电流流过肖特基二极管的总动能，则有之上电子的能量被视为如果2*323*21)2(4)()(1][)()4()()(00min02*0min2*232*TkqVTkexxxmsTkmTkEEnxxxxmsansxnCFeeTAdneJeehkTmndneJ以证明：对于非简并半导体，可]1][[JJJ)0(J)0(J)0(J)(J0002*2*TkeVTksmmsTkamsasmasmasmnsansnseeTAeTAVVVV：所以流过势垒的总电流垒的在平衡条件下，穿过势始终不变，因此势垒高度体时遇到的电子在从金属进入半导)1(402*32**kTqVsTTkesTnanseJJeTAJhkemA查得常数是热电子发射的有效理4.肖特基势垒二极管和pn结二极管的比较)1(kTqVseJJ)(22DipAinsNnqDNnqDJ)1(kTqVsTaeJJTksTnseTAJ02*pn结二极管肖特基虽然J-V特性的形式非常相似，但反向饱和电流密度的公式有很大区别，两种器件的电流输运机构是不同的。pn结的电流是由少数载流子的扩散运动决定的，而肖特基势垒二极管中的电流是由多数载流子通过热电子发射跃过内建电势差而形成的。JsTJSFigure9.102.两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结的开关时间纳秒数量级MS可以用来加快BJT的瞬态关断过程。称为肖特基二极管的钳制。它的作用是，当BJT在开启状态进入饱和模式时，MS二极管导通并把CB结钳制到相对低的正偏压下，这种方法利用了MS能比pn结的导通电压低这一特点。这样CB结可以维持在一个相对较低的电压上，在BJT中可以有最少的电荷储存。所以关断的时间显著减少。肖特基二极管钳制npnBJT的电路图5.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，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，相当于位于（-x）处时的等量正电荷之间的吸引力。正电荷叫镜像电荷，这个吸引力叫镜像引力电子镜像电荷20220216)2(4xkqxkqF7.2金属和半导体接触的整流理论镜像力的势能将叠加到理想肖特基势垒上，使原来的理想肖特基势垒的电子能量在MS界面处下降，即使肖特基势垒高度下降，这就是肖特基势垒的镜像力降低现象，又叫做肖特基效应。7.2金属和半导体接触的整流理论022202'2''')21(16)(-)21(16)16)2(4)BnsdsBnsdssxsxexxxNexexexxxeNxexxedxxeEdxx电势能为（和内建电势，总电势半导体中存在内建电场（电势表达式：实际的MS接触欧姆接触的形成在MS接触下方半导体的重掺杂有助于欧姆接触的形成穿过势垒型接触的发射电流随掺杂的变化遂道效应金属半导体接触的空间电荷层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，遂穿效应增强21]2[dbisneNVx本章小结一重要术语解释1．金属的功函数2．电子亲和势3．欧姆接触4．整流接触5．肖特基势垒高度本章小结6．半导体表面势7．肖特基二极管8．热电子发射效应本章小结二知识点学完本章后，读者应具备如下能力：1．能大致画出肖特基势垒二极管的零偏、反偏以及正偏时能带图。2．描述肖特基势垒二极管正偏时的电荷流动情况。3．解释肖特基势垒降低现象以及这种现象对肖特基势垒二极管反向饱和和电流的影响。4．解释表面态对肖特基势垒二极管的影响。5．说出肖特基势垒二极管反向饱和和电流比pn结二极管反向饱和电流大的一个应用。6．解释欧姆接触。三复习题1.什么是理想肖特基势垒高度？在能带图上指出肖特基势垒。2.肖特基势垒二极管正偏时的电荷流动情况是怎么样的？3.比较肖特基势垒二极管与pn结二接管正偏时的I-V特性。4.大致