半導(dǎo)體器件物理學(xué)習(xí)指導(dǎo)：第四章 金屬半導(dǎo)體結(jié)

1、 第四章 金屬半導(dǎo)體結(jié)一 名詞 概念 術(shù)語(yǔ) 問(wèn)題整流接觸（整流結(jié)） 歐姆接觸（非整流結(jié)）肖特基勢(shì)壘高度：金屬半導(dǎo)體結(jié)從金屬到半導(dǎo)體的勢(shì)壘。肖特基效應(yīng)：鏡象力使勢(shì)壘降低的效應(yīng)。畫出金屬和N型半導(dǎo)體在形成理想接觸前后的能帶圖并說(shuō)明肖特基勢(shì)壘的形成。解： 圖（圖4.1）為金屬和 型半導(dǎo)體在形成接觸之前的理想的能帶圖。其中金屬功函數(shù) 大于半導(dǎo)體的功函數(shù) 。 為半導(dǎo)體的電子親和勢(shì)。圖中假設(shè)了半導(dǎo)體表面沒(méi)有表面態(tài)，其能帶直到表面都是平直的。用某種方法把金屬和半導(dǎo)體接觸，由于 ，電子將從半導(dǎo)體渡越到金屬。使半導(dǎo)體表面出現(xiàn)未被補(bǔ)償?shù)碾x化施主的正電荷，金屬表面則積累負(fù)電荷，同時(shí)二者的費(fèi)米能級(jí)拉平。電中性要求金屬

2、表面的負(fù)電荷與半導(dǎo)體表面的正電荷必須量值相等符號(hào)相反。金屬表面的負(fù)電荷是多余出來(lái)的導(dǎo)電電子，只占據(jù)很薄的一層（約0.5 nm ）。 由于半導(dǎo)體中施主濃度比金屬中電子濃度低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以半導(dǎo)體中的正電荷將占據(jù)相對(duì)較厚的一個(gè)薄層，即在半導(dǎo)體表面形成了空間電荷層。和 結(jié)一樣，空間電荷的電場(chǎng)將阻止半導(dǎo)體中電子流入金屬。達(dá)到熱平衡時(shí)形成穩(wěn)定的自建電場(chǎng)和自建電勢(shì)，半導(dǎo)體的能帶向上彎曲，形成了阻止半導(dǎo)體中電子向金屬渡越的勢(shì)壘。 肖特基勢(shì)壘二極管和 結(jié)二極管之間的比較：基本區(qū)別在于肖特基勢(shì)壘二極管是多子器件， 結(jié)二極管是少子器件。因此：（1）由于沒(méi)有少數(shù)載流子貯存，貯存時(shí)間可忽略不計(jì)，肖特基勢(shì)壘二極管對(duì)于高

3、頻和快速開(kāi)關(guān)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是理想的；（2）由于多數(shù)載流子電流遠(yuǎn)高于少數(shù)載流子電流，肖特基勢(shì)壘中的飽和電流遠(yuǎn)高于具有同樣面積的 結(jié)二極管，因此，對(duì)于同樣的電流，在肖特基勢(shì)壘上的正向電壓降要比 結(jié)上的低得多，低的接通電壓使得肖特基二極管對(duì)于箝位和限輻的應(yīng)用具有吸引力；（3）多子數(shù)目起伏小，因此肖特基二極管噪聲小；（4）溫度特性好。 畫出加偏壓肖特基勢(shì)壘能帶圖，說(shuō)明肖特基勢(shì)壘二極管的整流特性解： 若在半導(dǎo)體上相對(duì)于金屬加一負(fù)電壓 ，則半導(dǎo)體金屬之間的電勢(shì)差減少為 ，半導(dǎo)體中的電子能級(jí)相對(duì)金屬的向上移動(dòng) ，勢(shì)壘高度則由 變成 ，而 基本上保持不變（圖4-2b）。在半導(dǎo)體一邊勢(shì)壘的降低使得半導(dǎo)體中的電子更易

4、于移向金屬，這是正向偏壓條件，能夠流過(guò)大的電流。如果是正電壓 加于半導(dǎo)體上，這便是反向偏壓條件（圖4-2c），則勢(shì)壘被提高到 ，同樣 基本上保持不變。提高的勢(shì)壘阻擋半導(dǎo)體中的電子移向金屬，電流很?。▓D4-2c）。（圖4.2）畫出集成結(jié)構(gòu)示意圖說(shuō)明肖特基勢(shì)壘鉗位晶體管的工作原理（圖4.13）解：由于肖特基勢(shì)壘具有快速開(kāi)關(guān)響應(yīng)，因而可以把它 和 晶體管的集電極基極結(jié)并聯(lián)連接，以減小晶體管的貯存時(shí)間。當(dāng)晶體管飽和時(shí)，集電結(jié)被正向偏置約達(dá) 。若在肖特基二極管上的正向壓降（一般為 ）低于晶體管基極集電極的開(kāi)態(tài)電壓，則大部分過(guò)量基極電流流過(guò)二極管，該二極管沒(méi)有少數(shù)載流子貯存效應(yīng)。因此，與單獨(dú)的晶體管相比較

5、，合成器件的貯存時(shí)間得到顯著的降低。肖特基勢(shì)壘箝位晶體管是按示于圖4-13b的結(jié)構(gòu)以集成電路的形式實(shí)現(xiàn)的。鋁在輕摻雜的 型集電區(qū)上而形成極好的肖特基勢(shì)壘，并同時(shí)在重?fù)诫s的 型基區(qū)上面形成優(yōu)良的歐姆接觸。為什么金屬與重?fù)诫s半導(dǎo)體接觸可以形成歐姆接觸？答：若半導(dǎo)體為重?fù)诫s（例如，具有 或更高的雜質(zhì)濃度時(shí)），則空間電荷層寬度變得如此之薄，以至載流子可以隧道穿透而不是越過(guò)勢(shì)壘。由于在勢(shì)壘每邊的電子都可能隧道穿透到另一邊，因此實(shí)現(xiàn)了在正反向偏壓下基本上對(duì)稱的 曲線。因此勢(shì)壘是非整流的，并有一低電阻。二 重要推導(dǎo)導(dǎo)出肖特基二極管I-V特性解：對(duì)于非簡(jiǎn)并化情況，導(dǎo)帶電子濃度和價(jià)帶空穴濃度如下： 在半導(dǎo)體內(nèi)部

6、，設(shè)本征費(fèi)米能級(jí)為 ，則熱平衡時(shí)半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子濃度為 在表面附近的空間電荷區(qū)內(nèi)電子的附加電勢(shì)能為 ，本征費(fèi)米能級(jí)為 在空間電荷區(qū)中載流子濃度為 在半導(dǎo)體與金屬界面處其中 是半導(dǎo)體的表面勢(shì)。取半導(dǎo)體內(nèi)為電勢(shì)零點(diǎn)，則半導(dǎo)體表面勢(shì) = ， 為空間電荷區(qū)自建電勢(shì)差。于是在 界面，電子濃度為即當(dāng)有外加電壓時(shí)， 由氣體動(dòng)力論，單位時(shí)間入射到單位面積上的電子數(shù)即進(jìn)入金屬的電子數(shù)為 ，式中 為熱電子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度， 為電子有效質(zhì)量。于是電子從半導(dǎo)體越過(guò)勢(shì)壘向金屬發(fā)射所形成的電流密度為與此同時(shí)也有電子從金屬向半導(dǎo)體中發(fā)射，由于金屬一側(cè)的勢(shì)壘高度 不受偏壓的影響，所以這個(gè)電流密度是總電流密度為導(dǎo)帶有效狀態(tài)密

7、度為 ，代入 ，得到熱電子發(fā)射理論的電流電壓關(guān)系其中當(dāng)肖特基勢(shì)壘被施加反向偏壓 時(shí)，將（4-24）式中的 換成 即可得到反向偏壓下的電流電壓關(guān)系。于是， 結(jié)在正反兩種偏壓下的電流電壓關(guān)系可以統(tǒng)一用下式表示或式中 稱為理想化因子。 證明鏡像力使肖特基勢(shì)壘高度降低： 其中 證明：半導(dǎo)體中距金屬表面為 的電子受到的鏡像力為 電勢(shì)能為其中邊界條件取為 時(shí)， 和 時(shí)， 。 （2） （1） 對(duì)于肖特基勢(shì)壘，這個(gè)勢(shì)能將迭加到理想肖特基勢(shì)壘能帶圖上，將原來(lái)的肖特基勢(shì)壘近似地看成是線性的，因而界面附近的導(dǎo)帶底勢(shì)能曲線為其中 為表面附近的電場(chǎng)，等于勢(shì)壘區(qū)最大電場(chǎng)?？倓?shì)能為設(shè)勢(shì)壘高度降低的位置發(fā)生在 處，勢(shì)壘高度降低值為 。令 ，由（3）式得到（3） 由于 故 （4） （5） 三 重要圖表圖4.1、4.2、4.3、4.4四 重要習(xí)題4-3 畫出金屬在P型半導(dǎo)體上的肖脫基勢(shì)壘的能帶結(jié)構(gòu)圖，忽略表面態(tài)，指出（a） 和（b） 兩種情形是整流節(jié)還是非整流結(jié)，并確定自建電勢(shì)和勢(shì)壘高度。解：如下