半导体物理与器件11——第九章.ppt

半导体物理与器件第九章金属半导体和半导体异质结m金属半导体接触 m肖特基二极管 m欧姆接触 m半导体异质结半导体物理与器件§9.1肖特基势垒势垒 二极管 肖特基二极管是由金属-半导导体整流接触形成的二 极管，一般情况下，整流接触发发生在n型半导导体 中，我们们将主要讨论讨论 金属和n型半导导体形成的整 流接触半导体物理与器件q能带图 Φ:功函数，单单位为为伏特 Χ：电电子亲亲和能，单单位伏特参数符号 金属功函数 半导体功函数 电子亲和能 肖特基势垒 内建电势差真空能级Ec EFEFiEvEF金属的功函数和半导体的电子亲和能都是材料本身的 本征参数，它们都反映了材料中能级相对于真空电子 能级的相对位置半导体物理与器件肖特基接触形成接触前接触后真空能级Ec EFEFiEvEFEc EFEvEF耗尽层半导体物理与器件m部分金属和半导体的参数元素功函数，Φm Ag4.26 Al4.28 Au5.1 Cr4.5 Mo4.6 Ni5.15 Pd5.12 Pt5.65 Ti4.33 W4.55元素电子亲和能，χ Ge4.13 Si4.01 GaAs4.07 AlAs3.5半导体物理与器件参数ΦB0是半导导体接触的理想势垒势垒 高度（肖特基势垒势垒 ）在半导导体一侧侧，Vbi是半导导体掺杂浓掺杂浓 度的函数，类类似于pn 结结中的情况Ec EFEvEF耗尽层理想肖特基势垒： 带边向对于参考能 级（真空电子能级 ）位置不变半导体物理与器件m金属半导体结在偏压下的能带图EcEvEFEcEvEF可以看到在偏压下，肖特基结的势垒高度变化情况与pn结类似正向偏压反向偏压半导体物理与器件q理想结特性 用和处理pn结类似的方法来确定肖特基结的静电特性假定半导体掺杂均匀空间电荷密度半导体介电常数边界条件：x=xn时，E=0半导体物理与器件m空间电荷区宽度在突变结近似的条件下求出空间电荷区宽度P.234 例9.1 P.235 例9.2 半导体物理与器件q影响肖特基势垒的非理想因素 m镜像力-+x=0x金属电介质在无穷远处电势为0半导体物理与器件m 不存在其他电场时，该势能曲线为：考虑势垒内的内建电场：E(x)xEFE(x) xEF半导体物理与器件m镜像力使实际的势垒高度降低，可求出势垒的最大高 度和对应的xmP.238 例9.3 势垒高度的变化量非常小，但从后边可以看到，势垒高度和电流-电压关 系呈指数关系变化，因而微小的势垒高度变化将会导致明显的电流变化半导体物理与器件q界面态对势垒高度的影响 当半导体表面存在表面态时，则表面上可能有净 电荷存在，从而对能带造成影响表面态的电中性能级半导体物理与器件m电中性条件当表面态有净的正电荷存在时，造成半导体内正施主 电荷量减少，从而使得空间电荷区缩短，势垒降低； 当表面态有净的负电荷存在时，造成半导体内正施主 电荷量增多，从而使得空间电荷区加宽，势垒增高；q实际肖特基势垒高度是电场强度和表面态的函数 。

由于表面态密度无法预知，所以势垒高度是一 个经验值半导体物理与器件q电流电压关系 m热电子发射电流 当载流子迁移率较高，相应的平均自由程ln很大，以至 于远远大于势垒区厚度xD时( ln>> xD )适用于此理论 对于电子而言，势垒的形状并不重要，起决定作用的 是势垒顶点的高度——半导体体内的电子只要有足够 的能量超过势垒的顶点，就可以自由地通过阻挡层进 入金属；同样，金属中能超越势垒顶的电子也能达到 半导体体内；所以电流的计算就归纳为计算超越势垒 的载流子数目，这就是热电子发射理论 显然，热电子发射电流与体内电子的能量分布有关半导体物理与器件半导体物理与器件电子由半导体流向金属所引起的电流密度可表示为：其中Ec’是通过热电子发射至金属所需的最小能量，vx 是载流子沿着电流输运方向的速度，满足热电子发射 条件的电子浓度的微分值为：其中gc(E)为导带的态密度，fF(E)为费米－狄拉克概率 分布函数半导体物理与器件m假设仍然满足麦克斯韦－玻尔兹曼近似条件，则有：假设半导体材料中电子的能量高于Ec部分均为电子的 动能，则有：从半导体向金属的净电流密度为半导体物理与器件其中A*为有效理查德森常数正偏条件下金属－半导 体之间形成肖特基结的 能带图及其电路符号半导体物理与器件流过肖特基结的总电流可表示为电子由半导体流入金 属中所引起的电流Js →m与电子由金属流入半导体中所 引起的电流Jm →s之差，即：由热平衡总电流为零知：半导体物理与器件电流的正方向定义ms，因此可得：上述方程也可表示为通常二极管电流方程形式，即：和pn结相同的电流 变化规律半导体物理与器件其中：称为肖特基结二极管的反向饱和电流密度。

式中 фBn通常即为理想情况下的肖特基势垒高度фB0， 对于硅材料来说，有效理查逊常数为 A*=120A/cm2K2，对于砷化镓材料来说，则为 A*=1.12A/cm2K2 P.241 例9.4 利 用IV特性求出 理查德森常数A*和有效质量有关，实际是与状态密度有关半导体物理与器件q肖特基二极管与pn结二极管的对比： 肖特基结二极管的特性与pn结二极管的特性主要 区别： m反向饱和电流存在很大差别,肖特基结二极管的JsT一般 情况下要远远大于pn结二极管的JS，通常二者相差几 个数量级以上（例9.5）；开启电压不同半导体物理与器件肖特基结二极管 的开启电压： 0.3V左右 pn结二极管的开 启电压0.6V左右半导体物理与器件m肖特基结二极管的开关特性要快得多（多子器 件，无少子扩散电容）肖特基二极管开关速 度在ps量级，而pn结为nsm实际的肖特基二极管中，存在着少子扩散电流 、隧道电流等多种电流成分，但是和热电子发 射电流相比，这些机制一般都可以忽略半导体物理与器件§9.2金属-半导导体的欧姆接触 m任何半导导体器件最后都要用金属与之接触，并由导线导线 引出，因此，获获得良好的欧姆接触是十分必要的。

m欧姆接触是接触电电阻很低的结结 不产产生明显显的阻抗； 不使半导导体内部的平衡载载流子浓浓度发发生显显著变变化半导体物理与器件EcEF EFiEvEFEcEvEFEc EFEvEFEFEcEvq理想非整流接触N型（半导体）欧姆 接触：金属功函数小 于半导体功函数偏压下电子在金属- 半导体界面传输时， 遇到的势垒很小N型欧姆接触往往 采用功函数较小的 金属，如Al半导体物理与器件EcEFEFiEvEFEcEv EFEcEFEFiEvEFEcEv EFP型（半导体）欧姆 接触：金属功函数大 于半导体的功函数偏压下电子在金属- 半导体界面传输时， 遇到的势垒很小P型欧姆接触往往 采用功函数较大的 金属，如Pt半导体物理与器件m理想情况下，我们选用功 函数合适的金属和半导体 就可以形成欧姆接触，但 实际Si、Ge、GaAs这些 半导体的表面都有很高的 表面态密度，无论是N型材 料还是P型材料的接触都无 法有效降低势垒，因而这 种方法通常并不成功半导体物理与器件q其他的欧姆接触方法 m高复合接触可以形成欧姆接触可以在半导体表面掺入高浓度的复合中心，来 制成欧姆接触；这是因为高浓度的复合-产生中心 使得过剩载流子的寿命非常短，有维持载流子浓 度为平衡值的作用。

不过这种方法由于接触处高浓度的复合中心或 结构缺陷的存在，会影响工作区的性质，因而只 可用于体型结构较大的器件，这种器件接触区距 离工作区较远半导体物理与器件m利用隧道效应制成的欧姆接触提高表面杂质浓度，利用隧道效应制成的欧姆 接触，这是目前在生产实践中主要使用的方法m高掺杂薄势垒强隧道效应欧姆接触半导体物理与器件q利用隧道效应形成欧姆接触Ec EFEvEF掺杂浓度增大，隧 道几率增大有效质量越小，越 利于隧穿隧道电流和势垒高 度也有关系n++nM半导体物理与器件q接触电阻 m接触电阻Rc对于低掺杂的整流接触来说，电流-电压关系为热电子 发射机制，因而单位接触电阻为：I-V曲线在零偏下斜率的倒数对于低掺杂金-半接触来说，接触电阻强烈依赖于势垒高度ΦBn半导体物理与器件q对于高掺杂浓度的金属-半导体结来说，隧道效应 将起到主要作用其单位接触电阻为：m当掺杂浓度低于1017时，金-半接触主要为热电子发射 机制；当浓度大于1019时，隧道效应将占据主导地位； 在两者之间时，则两种电流成分兼有 m制作欧姆接触需要提高表面掺杂和降低界面势垒但 实际上欧姆接触的制作需要大量的实践经验对于禁 带宽度比较大的半导体来说，欧姆接触的制作更加困 难。

高掺杂掺杂 的金属-半导导体结结的接触电电阻强烈依赖赖于掺杂浓掺杂浓 度半导体物理与器件q扩散界面和合金化 m实际金属-半导体界面总是一个过渡界面，这来源于金 属和半导体原子的相互扩散（典型为10个原子层厚度 ） m在一定温度（200oC~800oC）进行退火会加剧这种互 扩行为，从而使过渡区更宽金属-半导体原子之间可能只是简单共 熔，也可能形成由特定比例金属原子和 半导体原子构成的化合物，如硅化物； 硅化物一般为多晶态，大小与金属的晶 粒相当，表现出金属性由于退火导致 金属扩散至半导体内部，形成金属化的 硅化物区域，因而避开了表面沾污，表 面悬挂键形成的表面态的影响，因而可 以更稳定的形成欧姆接触半导体物理与器件q一般而言，无论是哪种欧姆接触方式，都要求半 导体尽量高的掺杂浓度 q一般需要在一定的温度下进行退火 q实际的欧姆接触制作往往极端依赖于半导体材料 的重掺杂，表面处理、金属和退火工艺实际经 验在欧姆接触的制备过程中是非常重要的半导体物理与器件§9.3半导导体异质结质结 m半导导体异质结质结 是指由两种不同的半导导体材料构成的结结；由于形成 异质质的两种材料通常具有不同的禁带宽带宽 度和电电子合能，异质结质结 的 能带图带图 是可以多种多样样的；与两种材料的不同性质质相连连系，异质质 结结具有许许多独特的性质质。

原则则上讲讲它不仅仅能给给器件的设计设计 提供 更多的自由度，而且可能提供新的技术术利用 m一个良好的异质结质结 要求有小的界面态态密度；过过高的界面态态密度会 使异质质的电电学性质质劣化，这这是许许多异质结质结 常常面临临的问题问题 ，形 成异质结质结 的两种材料的晶格常数应应是相近的，晶格常数的失配会 在界面产产生大量的悬悬挂键键，从而形成大量界面态态 m半导导体异质结质结 可根据材料的导电类导电类 型分成同型异质结质结 和异型异 质结质结 m半导导体异质结质结 构的形成往往依赖赖于高精度的外延技术术，如MBE、 MOCVD等半导体物理与器件m由于构成异质结的是不同的材 料，它们的晶格常数一般是不 相同的，所以在异质结中晶格 失配是不可避免的由于晶格 失配，在两种半导体材料的交 界处产生了悬挂键引入界面态 ，从图中可以看出，在异质结 交界面处，在晶格常数小的半 导体中出现了一部分不饱和悬 挂键半导体物理与器件m导电类型相同的材料构成的异质结称为同型异质结；如：n-N Ge-Si，n-N Si-GaAs，p-P Si-GaP ；m导电类型相反的材料构成的异质结称为异型异质结；如：p-N Ge-GaAs,n-P Ge-GaAs；在以上所用的符号中，一般都是将禁带宽度较小的材料写 在前面半导体物理与器件q几种几种不同的异质结能带组合方式 m能带组合方式：跨骑、交错、错层 m不同的能带组合方式结合不同的导电类型组合，形成 了种类丰富的异质结结构跨骑交错错层真空能级半导体物理与器件m异质结的能带图结构主要由两个因素决定：接触带边 的能量不连续（由材料决定）和内建势垒（由掺杂决 定）AlxGa(1-x)AsGaAs掺杂水平不同 的pN结nN结与二维电 子气E1E2V(z)z半导体物理与器件q异质结的性质和其界面上的能带不连续性有极大 的关系，利用异质结的这种性质，可以制成多种 具有特殊效应的器件。

m半导体发光管和激光器LED、LD：半导体异质结带边 势垒对载流子和光场的限制 m异质结双极晶体管HBT：利用异质结的超注入性质 m高电子迁移率晶体管HEMT：利用异质结带边处量子阱。