半导体器件物理4

第四章金属—半导体结引言•金属—半导体形成的冶金学接触叫做金属—半导体结（M-S结）或金属－半导体接触。把须状的金属触针压在半导体晶体上或者在高真空下向半导体表面上蒸镀大面积的金属薄膜都可以实现金属—半导体结，前者称为点接触，后者则相对地叫做面接触。金属—半导体接触出现两个最重要的效应：其一是整流效应，其二是欧姆效应。前者称为整流接触，又叫做整流结。后者称为欧姆接触，又叫做非整流结。•金属—半导体结器件是应用于电子学的最古老的固态器件。•1874年布朗（Brawn）就提出了金属与硫化铅晶体接触间具有不对称的导电特性。•1906年皮卡德（Pickard）获得了硅点接触整流器专利。•1907年皮尔斯（Pierce）提出，在各种半导体上溅射金属可以制成整流二极管。•二十年代出现了钨－硫化铅点接触整流器和氧化亚铜整硫器。•1931年肖特基(Schottky)等人提出M-S接触处可能存在某种“势垒”的想法。•1932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M-S接触的整流效应。引言•1938年肖特基和莫特（Mott）各自独立提出电子以漂移和扩散的方式越过势垒的观点。•同年，塔姆（Tamm）提出表面态的概念。•1947年巴丁（Bardein）提出巴丁势垒模型。•由于点接触二极管的重复性很差，50年代，在大多数情况下它们已由PN结二极管所代替。•到70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—半导体接触，使金属—半导体结器件获得迅速的发展和应用。•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。这种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。4.1肖特基势垒4.1肖特基势垒一、肖特基势垒的形成（考虑金属与N-半导体）－半导体功函数－金属的功函数－半导体的电子亲和势。假设半导体表面没有表面态，接触是理想的，半导体能带直到表面都是平直的。自建电势差肖特基势垒高度或其中mqSqSqmqS0（4-1）（4-3）dCTCnTFcnNNVnNlVqEEVln（4-4）sm0nbV0smbxqq（4-2）4.1肖特基势垒二、加偏压的肖特基势垒•正偏压：在半导体上相对于金属加一负电压。•半导体—金属之间的电势差减少为，变成，•反偏压：正电压加于半导体上。•势垒被提高到（图4-2c）。（a耗尽层a耗尽层a）耗尽层耗尽层VV00q0()qVRV)(0RVq（bbbb）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qVbqRqV0()qV0qbqbq4.1肖特基势垒对于均匀掺杂的半导体，类似于结，在空间电荷区解Poisson方程可得空间电荷区宽度：NP21002dRqNVkW（4-5）结电容：AVNqkWAkCRd210002（4-6）或020221RdVANqkC（4-7）4.1肖特基势垒与P-N结情形一样，可以给出与的关系曲线以得到直线关系（图4-3）。从中可以计算出自建电势和半导体的掺杂浓度。21CRV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01234024681012141/C2（cm2/F）21015VR（V）4.1肖特基势垒例题：从图4-3计算硅肖特基二极管的施主浓度、自建电势和势垒高度。解利用（4-7）式，写成在图4-3中电容是按单位面积表示的，因此。我们求得时：，因此22020201212CVAqkCdVdAqkNRRd1AVVR121521516102110.610RCVVC，时，162215212.1710()4.6101RVVFcmC4.1肖特基势垒由于从图4-3有，所以有24.0106.2108.2ln026.0ln1519dcTnNNVVV4.0064.024.04.00nbV4.1肖特基势垒小结金属—半导体接触出现两个最重要的效应：整流效应和欧姆效应。前者称为整流接触，又叫做整流结。后者称为欧姆接触，又叫做非整流结。金属与N型半导体接触如果金属的功函数大于半导体的功函数则将形成肖特基势垒。画出了热平衡情况下的肖特基势垒能带图。半导体空间电荷层自建电势为肖特基势垒高度为或sm0（4-1）smbxqqnbV0（4-2）（4-3）dCTCnTFcnNNVnNlVqEEVln（4-4）4.1肖特基势垒小结画出了加偏压的的肖特基势垒能带图，根据能带图解释了肖特基势垒二极管的整流特性。由于金属中具有大量的电子，偏压情况下金属费米能级不变，因此不变〔不变亦可从公式（4-3）看出〕解Poisson方程可得肖特基势垒的空间电荷区宽度式中为半导体的掺杂浓度，为反向偏压。（4-5）bqbq21002dRqNVkWdNRV4.1肖特基势垒小结肖特基势垒结电容或与P-N结情形一样，可以由与的关系曲线求出自建电势和半导体的掺杂情况。（4-7）AVNqkWAkCRd210002020221RdVANqkC21CRV（4-6）4.1肖特基势垒教学要求了解金属—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。掌握公式sm0nbV021002dRqNVkWAVNqkWAkCRd210002（4-1）（4-5）（4-3）（4-6）4.1肖特基势垒教学要求掌握公式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为什么偏压情况下不变？由与的关系曲线求出自建电势和半导体的掺杂情况。作业：4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、（4-7）020221RdVANqkCbq21CRV4.2界面态对势垒高度的影响4.2界面态对势垒高度的影响4-4被表面态钳制的费米能级4.2界面态对势垒高度的影响由（4-2）式所确定的势垒高度，往往与根据C—V曲线测量所得到的不一致。这是因为在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，称为界面态或表面态，位于禁带内。界面态通常按能量连续分布，并可用一中性能级表征。如果被占据的界面态高达，而以上空着，则这时的表面为电中性。也就是说，当以下的状态空着时，表面荷正电，类似于施主的作用；当以上的状态被占据时，表面荷负电，类似于受主的作用。若与费米能级对准，则净表面电荷为零。在实际的接触中，＞时，界面态的净电荷为正，类似于施主。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。0E0E0E0E0EFE0Ebq4.2界面态对势垒高度的影响结果是，自建电势被显著降低如图（4-4a），并且，根据式（4-3），势垒高度也被降低。从图4-4（a）看到，更小的使更近。与此类似，若＜，则在界面态中有负电荷，并使增加，还是使和接近（图4-4b）。因此，界面态的电荷具有负反馈效应，它趋向于使和接近。若界面态密度很大，则费米能级实际上被钳位在（称为费米能级钉扎效应），而变成与金属和半导体的功函数无关。在大多数实用的肖特基势垒中，界面态在决定数值当中处于支配地位，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。由实验观测到的势垒高度列于表4-1中。发现大多数半导体的能量在离开价带边附近。bFE0E0EFEbFE0EFE0E0Eb0E3gEb0Ebq4.2界面态对势垒高度的影响表4-1以电子伏特为单位的N型半导体上的肖特基势垒高度4.3镜像力对势垒高度的影响4.3镜像力对势垒高度的影响三、镜像力对势垒高度的影响一、镜像力降低肖特基势垒高度（肖特基效应）：镜象力引起的电子电势能为其中边界条件取为:时，和时，。如图4.5（b）所示。2022021624xkqxkqFxkqFdxxEx02116)(x0xE（4-8）（4-9）10E4.3镜像力对势垒高度的影响将原来的理想肖特基势垒近似地看成是线性的，因而界面附近的导带底势能曲线写做其中为表面附近的电场，等于势垒区最大电场（包括内建电场和偏压电场）。总势能为xqxE)(2xqxkqxExExE022116)(（4-10）（4-11）如图4.5（c）所示。可见原来的理想肖特基势垒的电子能量在处下降，也就是说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，如图4-5所示。0x4.3镜像力对势垒高度的影响图4-5镜像力降低金属半导体势垒4.3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：设势垒高度降低的位置发生在处，势垒高度降低值为。mxbq令，由（4-11）式得到0dxxdE（4-12）2202000161616mmmqqkxqkxqxk4.3镜像力对势垒高度的影响由于故大电场下，肖特基势垒被镜像力降低很多。mxEmmbxqxkqq0216004216kqxxkqxmmmb（4-13）cmV510cmV1710,6,12.0nmxevqmbnmxevqmb1,2.14.3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前提是金属表面附近的半导体导带要有电子存在。所以在测量势垒高度时，如果测量方法与电子在金属和半导体间的输运有关，则所得结果是；如果测量方法只与耗尽层的空间电荷有关而不涉及电子的输运（例如电容方法），则测量结果不受镜像力影响。bb4.3镜像力对势垒高度的影响空穴也产生镜像力，它的作用是使半导体能带的价带顶附近向上弯曲，如图4-6所示，但它不象导带底那样有极值，结果使接触处的能带变窄。FME图4-6镜像力对半导体能带的影响4.3镜像力对势垒高度的影响小结肖特基效应：镜像力使理想肖特基势垒的电子能量在下降，也就是使肖特基势垒高度下降。这种效应叫做肖特基效应。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是线性的：根据总能量和图4.5c解释了肖特基效应。xqxE)(2（4-10）xqxkqxExExE022116)(（4-11）4.3镜像力对势垒高度的影响小结计算了肖特基势垒的降低和总能量最大值发生的位置：（4-13）（4-12）04bqk016mqxk4.3镜像力对势垒高度的影响教学要求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4.5c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。作业：4.8、4.94.4肖特基势垒二极管的电流电压特性4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性热电子和热载流子二极管：当电子来到势垒顶上向金属发射时，它们的能量比金属电子高出约。进入金属之后它们在金属中碰撞以给出这份多余的能量之前，由于它们的等效温度高于金属中的电子，因而把这些电子看成是热的。由于这个缘故，肖特基势垒二极管有时被称为热载流子二极管。这些载流子在很短的时间内就会和金属电子达到平衡，这个时间一般情况小于一、空间电荷区中载流子浓度的变化对于非简并化情况，导带电子浓度和价带空穴浓度为ns1.0bqKTEEiKTEEiFiiFenpenn（4-14）4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性设半导体内本征费米能级为，热平衡时半导体内部的载流子浓度为表面空间电荷区内，本征费米能级为则空间电荷区中载流子浓度为（4-15）0iEKTEEiKTEEiFiiFe