金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)

金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有61頁\編輯于星期六（優(yōu)選）金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)現(xiàn)在是2頁\一共有61頁\編輯于星期六第九章金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)9.1肖特基勢壘二極管9.2金屬半導(dǎo)體的歐姆接觸9.3異質(zhì)結(jié)現(xiàn)在是3頁\一共有61頁\編輯于星期六9.1肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管示意圖現(xiàn)在是4頁\一共有61頁\編輯于星期六9.1.1性質(zhì)上的特征金屬N型半導(dǎo)體金屬和n型半導(dǎo)體接觸前的平衡態(tài)能帶圖現(xiàn)在是5頁\一共有61頁\編輯于星期六基本概念真空能級E0:電子完全脫離材料本身的束縛所需的最小能量功函數(shù)：從費(fèi)米能級到真空能級的能量差電子親和勢：真空能級到價(jià)帶底的能量差金屬的功函數(shù)半導(dǎo)體的親和勢半導(dǎo)體的功函數(shù)現(xiàn)在是6頁\一共有61頁\編輯于星期六畫能帶圖的步驟：1.畫出包括表面在內(nèi)的各部分的能帶圖2.使圖沿垂直方向與公共的E0參考線對齊，并通過公共界面把圖連起來3.不改變半導(dǎo)體界面能帶的位置，向上或向下移動半導(dǎo)體體內(nèi)部分的能帶，直到EF在各處的值相等4.恰當(dāng)?shù)匕呀缑嫣幍腅c,Ei,Ev和體內(nèi)Ec,Ev,Ei連接起來5.去除不重要的現(xiàn)在是7頁\一共有61頁\編輯于星期六Figure9.1m>s兩個(gè)方向都存在電子流動的勢壘現(xiàn)在是8頁\一共有61頁\編輯于星期六B0=m-金屬中的電子向半導(dǎo)體中運(yùn)動存在勢壘B0叫做肖特基勢壘。半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子向金屬中移動存在勢壘Vbi

，Vbi就是半導(dǎo)體內(nèi)的內(nèi)建電勢現(xiàn)在是9頁\一共有61頁\編輯于星期六外加電壓后，金屬和半導(dǎo)體的費(fèi)米能級不再相同，二者之差等于外加電壓引起的電勢能之差。金屬一邊的勢壘不隨外加電壓而變，即：B0不變。半導(dǎo)體一邊，加正偏，勢壘降低為Vbi-Va反偏勢壘變高為：Vbi+VR現(xiàn)在是10頁\一共有61頁\編輯于星期六正偏反偏現(xiàn)在是11頁\一共有61頁\編輯于星期六肖特基二極管：正偏金屬的電勢高于半導(dǎo)體現(xiàn)在是12頁\一共有61頁\編輯于星期六

M>s，整流接觸正偏，半導(dǎo)體勢壘高度變低，電子從S注入M，形成凈電流I，I隨VA的增加而增加。反偏：勢壘升高，阻止電子從S向金屬流動，金屬中的一些電子能越過勢壘向半導(dǎo)體中運(yùn)動，但這一反向電流很小。結(jié)論：M>s時(shí)，理想的MS接觸類似于pn結(jié)二極管、具有整流特性現(xiàn)在是13頁\一共有61頁\編輯于星期六整流接觸歐姆接觸金屬和p型半導(dǎo)體接觸的平衡態(tài)能帶圖7.1金屬和半導(dǎo)體接觸及其能帶圖現(xiàn)在是14頁\一共有61頁\編輯于星期六7.1金屬和半導(dǎo)體接觸及其能帶圖金屬一邊的勢壘高度：現(xiàn)在是15頁\一共有61頁\編輯于星期六7.1金屬和半導(dǎo)體接觸及其能帶圖結(jié)論n形半導(dǎo)體p形半導(dǎo)體Wm>Ws整流接觸歐姆接觸Wm<Ws歐姆接觸整流接觸現(xiàn)在是16頁\一共有61頁\編輯于星期六

例2：受主濃度為NA=1017cm-3的p型Ge,室溫下的功函數(shù)是多少？若不考慮界面態(tài)的影響，它與Al接觸時(shí)形成整流接觸還是歐姆接觸？如果是整流接觸，求肖特基勢壘的高度現(xiàn)在是17頁\一共有61頁\編輯于星期六現(xiàn)在是18頁\一共有61頁\編輯于星期六9.1.2理想結(jié)的特性半導(dǎo)體中空間電荷區(qū)的電荷、電場、電勢的分布假設(shè)半導(dǎo)體均勻摻雜Nd.

類比p+n單邊突變結(jié)得出取金屬的電勢為0勢能點(diǎn)現(xiàn)在是19頁\一共有61頁\編輯于星期六結(jié)電容：由此曲線的截距可以得到Vbi，由斜率可以得到Nd，從而求得n和Bo235頁例2現(xiàn)在是20頁\一共有61頁\編輯于星期六影響肖特基勢壘高度的非理想因素一、鏡像力對勢壘高度的影響在金屬-真空系統(tǒng)中，一個(gè)在金屬外面的電子，要在金屬表面感應(yīng)出正電荷，同時(shí)電子要受到正電荷的吸引，若電子距離金屬表面的距離為x，則電子與感應(yīng)正電荷之間的吸引力，相當(dāng)于位于（-x）處時(shí)的等量正電荷之間的吸引力。正電荷叫鏡像電荷，這個(gè)吸引力叫鏡像引力電子鏡像電荷現(xiàn)在是21頁\一共有61頁\編輯于星期六現(xiàn)在是22頁\一共有61頁\編輯于星期六Figure9.4現(xiàn)在是23頁\一共有61頁\編輯于星期六鏡像力的勢能將疊加到理想肖特基勢壘上，勢能在x=xm處出現(xiàn)最大值，（鏡像力和電場力平衡的地方），說明鏡像力使肖特基勢壘頂向內(nèi)移動，并且引起勢壘高度降低，這就是肖特基勢壘的鏡像力降低現(xiàn)象，又叫做肖特基效應(yīng)?，F(xiàn)在是24頁\一共有61頁\編輯于星期六二、界面態(tài)對勢壘高度的影響前面討論的理想MS接觸，認(rèn)為接觸勢壘僅由金屬的功函數(shù)決定的，實(shí)際上，半導(dǎo)體表面存在的表面態(tài)對接觸勢壘有較大的影響。表面態(tài)位于禁帶中，對應(yīng)的能級稱為表面能級。表面態(tài)分為施主型和受主型兩類。若能級被電子占據(jù)時(shí)呈電中性，施放電子后呈正電，稱為施主型表面態(tài)。若能級空著時(shí)呈電中性，而接受電子后呈負(fù)電，稱為受主型表面態(tài)?，F(xiàn)在是25頁\一共有61頁\編輯于星期六表面態(tài)存在一個(gè)距離價(jià)帶頂為0的中性能級：電子正好填滿0

以下的所有表面態(tài)時(shí)，表面呈電中性；0以下的表面態(tài)空著時(shí)，表面帶正電，呈施主型；0之上的表面態(tài)被電子填充時(shí)，表面帶負(fù)電，呈現(xiàn)受主型。對于大多數(shù)半導(dǎo)體，0約為禁帶寬度的三分之一。現(xiàn)在是26頁\一共有61頁\編輯于星期六現(xiàn)在是27頁\一共有61頁\編輯于星期六

假設(shè)在n型半導(dǎo)體表面存在表面態(tài)：

當(dāng)EF低于0時(shí)，0之下有一些態(tài)是空著的，表面呈正電，這些正電荷和金屬表面的負(fù)電荷所形成的電場在金屬和半導(dǎo)體之間的微小間隙中產(chǎn)生電勢差，所以半導(dǎo)體的耗盡層中需要較少的電離施主來平衡。結(jié)果自建勢被顯著降低，金屬一邊的勢壘也降低。

現(xiàn)在是28頁\一共有61頁\編輯于星期六半導(dǎo)體費(fèi)米能級EF高于0，則在0和EF之間的能級基本上被電子填滿，表面帶負(fù)電。這樣半導(dǎo)體表面附近必定出現(xiàn)正電荷，成為正的空間電荷區(qū)，結(jié)果形成電子的勢壘，并使B0增加?，F(xiàn)在是29頁\一共有61頁\編輯于星期六現(xiàn)在是30頁\一共有61頁\編輯于星期六9.1.4電流-電壓關(guān)系金屬半導(dǎo)體結(jié)中的電流輸運(yùn)機(jī)制，不同于pn結(jié)中少數(shù)載流子決定電流的情況，而是主要取決于多數(shù)載流子。肖特基二極管的基本過程是電子運(yùn)動通過勢壘。這種現(xiàn)象可以通過熱電子發(fā)射理論來解釋。熱電子發(fā)射現(xiàn)象基于勢壘高度遠(yuǎn)大于kT這一假定。現(xiàn)在是31頁\一共有61頁\編輯于星期六

Jsm是電子從半導(dǎo)體擴(kuò)散到金屬中的電流密度，

Jms是電子從金屬擴(kuò)散到半導(dǎo)體中的電流密度?，F(xiàn)在是32頁\一共有61頁\編輯于星期六現(xiàn)在是33頁\一共有61頁\編輯于星期六現(xiàn)在是34頁\一共有61頁\編輯于星期六現(xiàn)在是35頁\一共有61頁\編輯于星期六隨著電場強(qiáng)度和反偏電壓的增大而增大，反偏電流隨反偏電壓的增加而增加?，F(xiàn)在是36頁\一共有61頁\編輯于星期六現(xiàn)在是37頁\一共有61頁\編輯于星期六Figure9.9現(xiàn)在是38頁\一共有61頁\編輯于星期六肖特基勢壘二極管和pn結(jié)二極管的比較pn結(jié)二極管肖特基雖然J-V特性的形式非常相似，但反向飽和電流密度的公式有很大區(qū)別，兩種器件的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)是不同的。Pn結(jié)的電流是由少數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動決定的，而肖特基勢壘二極管中的電流是由多數(shù)載流子通過熱電子發(fā)射躍過內(nèi)建電勢差而形成的。JsT>>JS,現(xiàn)在是39頁\一共有61頁\編輯于星期六Figure9.10現(xiàn)在是40頁\一共有61頁\編輯于星期六現(xiàn)在是41頁\一共有61頁\編輯于星期六

2.兩種二極管正偏時(shí)的特性也不同，肖特基二極管的開啟電壓低于pn結(jié)二極管的有效開啟有效開啟電壓。

3.二者的頻率響應(yīng)特性，即開關(guān)特性不同。

pn結(jié)從正偏轉(zhuǎn)向反偏時(shí)，由于正偏時(shí)積累的少數(shù)載流子不能立即消除，開關(guān)速度受到電荷存儲效應(yīng)的限制；肖特基勢壘二極管，由于沒有少數(shù)載流子存儲，可以用于快速開關(guān)器件，開關(guān)時(shí)間在皮秒數(shù)量級，其開關(guān)速度受限于結(jié)電容和串聯(lián)電阻相聯(lián)系的RC延遲時(shí)間常數(shù)。工作頻率可高達(dá)100GHz.而pn結(jié)的開關(guān)時(shí)間納秒數(shù)量級現(xiàn)在是42頁\一共有61頁\編輯于星期六MS可以用來加快BJT的瞬態(tài)關(guān)斷過程。稱為肖特基二極管的鉗制。它的作用是，當(dāng)BJT在開啟狀態(tài)進(jìn)入飽和模式時(shí)，MS二極管導(dǎo)通并把CB結(jié)鉗制到相對低的正偏壓下，這種方法利用了MS能比pn結(jié)的導(dǎo)通電壓低這一特點(diǎn)。這樣CB結(jié)可以維持在一個(gè)相對較低的電壓上，在BJT中可以有最少的電荷儲存。所以關(guān)斷的時(shí)間顯著減少。肖特基二極管鉗制npnBJT的電路圖現(xiàn)在是43頁\一共有61頁\編輯于星期六9.2金屬半導(dǎo)體的歐姆接觸金屬與n型半導(dǎo)體接觸：m<s電子從S流向M沒有勢壘，反之，僅有一小的勢壘現(xiàn)在是44頁\一共有61頁\編輯于星期六M<s，歐姆接觸正偏：電子從半導(dǎo)體流向金屬沒有遇到勢壘，

VA>0,就會有很大的正向電流反偏：電子從金屬流向半導(dǎo)體會遇到小的勢壘，反偏電壓VR大于零點(diǎn)幾伏，勢壘就會變?yōu)?，在相對較小的反偏電壓下，會有很大的電流。且電流不飽和結(jié)論：M<s形成歐姆接觸實(shí)際要形成歐姆接觸時(shí)，要求半導(dǎo)體重?fù)诫s，使空間電荷層很薄，發(fā)生隧道穿透。現(xiàn)在是45頁\一共有61頁\編輯于星期六9.2金屬半導(dǎo)體的歐姆接觸現(xiàn)在是46頁\一共有61頁\編輯于星期六9.2金屬半導(dǎo)體的歐姆接觸金屬與P型半導(dǎo)體接觸：m>s現(xiàn)在是47頁\一共有61頁\編輯于星期六由于半導(dǎo)體表面態(tài)的存在，假定半導(dǎo)體能帶隙的上半部分存在受主表面態(tài)，那么所有受主態(tài)都位于EF之下，如圖9.11b.這些表面態(tài)帶負(fù)電荷，將使能帶圖發(fā)生變化。同樣地假定半導(dǎo)體能帶隙的下半部分存在施主表面態(tài)，如圖9.13b，所有施主態(tài)都位于EF之上，這些表面態(tài)帶正電荷，將使能帶圖發(fā)生變化。因此表面態(tài)的作用無法形成良好的歐姆接觸9.2金屬半導(dǎo)體的歐姆接觸現(xiàn)在是48頁\一共有61頁\編輯于星期六實(shí)際的MS接觸

歐姆接觸的形成在MS接觸下方半導(dǎo)體的重?fù)诫s有助于歐姆接觸的形成穿過勢壘型接觸的發(fā)射電流隨摻雜的變化現(xiàn)在是49頁\一共有61頁\編輯于星期六遂道效應(yīng)金屬半導(dǎo)體接觸的空間電荷層寬度與半導(dǎo)體摻雜濃度的平方根成反比，隨著摻雜濃度的增加，遂穿效應(yīng)增強(qiáng)現(xiàn)在是50頁\一共有61頁\編輯于星期六9.3異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)兩種不同半導(dǎo)體材料接觸形成的結(jié)反型異質(zhì)結(jié)：由導(dǎo)電類型相反的兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料所形成的異質(zhì)結(jié)如p-Ge和n-GaAs記為p-nGe-GaAs

如p-nGe-Si,n-pGe-GaAs同型異質(zhì)結(jié)：導(dǎo)電類型相同的兩種半導(dǎo)體材料所形成的異質(zhì)結(jié).如n-nGe-Si,p-pGe-GaAs,p-pSi-GaP一般把禁帶寬度較小的半導(dǎo)體材料寫在前面?；蛘哂么髮懽帜副硎据^寬帶隙的材料，如Np，nP,Nn,pP.現(xiàn)在是51頁\一共有61頁\編輯于星期六9.2.2能帶圖窄帶隙材料和寬帶隙材料在接觸前的能帶圖現(xiàn)在是52頁\一共有61頁\編輯于星期六由于p區(qū)和n區(qū)的電子親和勢和禁帶寬度不同，使異質(zhì)結(jié)在界面處的能帶突變，EC和EV的出現(xiàn)將阻礙載流子通過界面，這種對載流子的限制作用是同質(zhì)結(jié)中所沒有的?，F(xiàn)在是53頁\一共有61頁\編輯于星期六Figure9.18現(xiàn)在是54頁\一共有61頁\編輯于星期六1.內(nèi)建電勢靜電特性現(xiàn)在是55頁\一共有61頁\編輯于星期六靜電特性2.