第九章-金属半导体和半导体异质结

第九章金属半导体和半导体异质结第九章金属半导体和半导体异质结9.1肖特基势垒二极管9.2金属半导体的欧姆接触9.3异质结9.1肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管示意图9.1.1性质上的特征金属N型半导体金属和n型半导体接触前的平衡态能带图FBSFCsSCsMFmEEeVGaAsSiGeEENieVMgeVEE][07.4,01.4,13.4:,,)](15.5~)(66.3[00（表面）从基本概念真空能级E0:电子完全脱离材料本身的束缚所需的最小能量功函数：从费米能级到真空能级的能量差电子亲和势：真空能级到价带底的能量差金属的功函数半导体的亲和势半导体的功函数画能带图的步骤：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Figure9.1ms两个方向都存在电子流动的势垒B0=m-金属中的电子向半导体中运动存在势垒B0叫做肖特基势垒。半导体导带中的电子向金属中移动存在势垒Vbi，Vbi就是半导体内的内建电势nBFBFCBbiEEV00)(•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：B0不变。•半导体一边，加正偏，势垒降低为Vbi-Va•反偏势垒变高为：Vbi+VR正偏反偏肖特基二极管：正偏金属的电势高于半导体Ms，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：Ms时，理想的MS接触类似于pn结二极管、具有整流特性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9.1.2理想结的特性•半导体中空间电荷区的电荷、电场、电势的分布假设半导体均匀掺杂Nd.210200]2[)21()()()()()(dbisnBnsdxnsdnsdxxsdEsdsdeNVxWxxxeNdxxxeNxxxeNEdxeNdEeNxdxdEeNxn泊松方程：电荷分布：类比p+n单边突变结得出取金属的电势为0势能点结电容：dsRbiRbidssNeVVCVVNeWC)(2)1(])(2[2210由此曲线的截距可以得到Vbi，由斜率可以得到Nd，从而求得n和Bo235页例29.1.3影响肖特基势垒高度的非理想因素一、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，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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：Figure9.4•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。二、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。•表面态存在一个距离价带顶为0的中性能级：电子正好填满0以下的所有表面态时，表面呈电中性；0以下的表面态空着时，表面带正电，呈施主型；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，0约为禁带宽度的三分之一。假设在n型半导体表面存在表面态：当EF低于0时，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。•半导体费米能级EF高于0，则在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B0增加。9.1.4电流-电压关系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kT这一假定。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。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*abixnxxVVemxkTqVkTexxxmskTmkTEEnxxxxmsaBnxnCFeeTAdneJeehkTmndneJ2*232*[)()4()()(min2*min以证明：对于非简并半导体，可]1][[JJJ)0(J)0(J)0(J)(J2*2*B00kTeVkTsmmskTamsasmasmasmaBnBeeTAeTAVVVV：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((4B0Bn2*2*32**0kTqVsTBnkTekTekTesTnaBBneJJeeTAeTAJhkemA）。是由镜像力降低引起的查得常数是热电子发射的有效理随着电场强度和反偏电压的增大而增大，反偏电流随反偏电压的增加而增加。Figure9.99.1.5肖特基势垒二极管和pn结二极管的比较)1(kTqVseJJ)(22DipAinsNnqDNnqDJ)1(kTqVsTaeJJkTkTsTbbbeTAeTAJ2*2*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。JsTJS,Figure9.102.两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9.2金属半导体的欧姆接触金属与n型半导体接触：ms电子从S流向M没有势垒，反之，仅有一小的势垒Ms，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：Ms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。9.2金属半导体的欧姆接触9.2金属半导体的欧姆接触金属与P型半导体接触：ms•由于半导体表面态的存在，假定半导体能带隙的上半部分存在受主表面态，那么所有受主态都位于EF之下，如图9.11b.这些表面态带负电荷，将使能带图发生变化。•同样地假定半导体能带隙的下半部分存在施主表面态，如图9.13b，所有施主态都位于EF之上，这些表面态带正电荷，将使能带图发生变化。因此表面态的作用无法形成良好的欧姆接触9.2金属半导体的欧姆接触实际的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9.3异质结9.1.1半导体异质结两种不同半导体材料接触形成的结反型异质结：由导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料所形成的异质结如p-Ge和n-GaAs记为p-nGe-GaAs如p-nGe-Si,n-pGe-GaAs同型异质结：导电类型相同的两种半导体材料所形成的异质结.如n-nGe-Si,p-pGe-GaAs,p-pSi-GaP一般把禁带宽度较小的半导体材料写在前面。或者用大写字母表示较宽带隙的材料，如Np，nP,Nn,pP.9.2.2能带图窄带隙材料和宽带隙材料在接触前的能带图)())(pngngpVgngpCVpnCeEEEEEEEeE（由于p区和n区的电子亲和势和禁带宽度不同，使异质结在界面处的能带突变，EC和EV的出现将阻碍载流子通过界面，这种对载流子的限制作用是同质结中所没有的。Figure9.18)ln()ln(lnln)()()()([)]([)]([0000cncppnocbivpvnnopvbipvpnvngCbivpFpvnFngngpnpbivnFngnnvpFpgppbisnspbiNNnnkTEeVNNppkTEeVpNkTpNkTEEeVEEEEEEeeVEEEeEEEeeVV还可换成导带的形式：1.内建电势9.3.4静电特性9.3.4静电特性2.耗尽层中的电荷分布apdn