半导体器件物理,课件,第四章.docx

半导体器件物理,课件,第四章 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概念：同质结、异质结、金半结、欧姆接触,同质结：同材料PN结异质结：不同材料PN结金半结：金属与半导体接触（肖特基势垒二极管）欧姆接触：没有整流效应的接触功函数：电子溢出表面吸收的最小能量金属的功函数：,半导体的功函数：,电子亲和能,,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(体电势)其中,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,（4-1-1）,（4-1-3）,（4-1-4）,（4-1-2）,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）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,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：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,（4-1-5）,结电容：,,（4-1-6）,或,,（4-1-7）,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,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（4-1-7）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,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,4.1肖特基势垒,由于从图4-3有，所以有,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,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,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,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4.1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4.2界面态对势垒高度的影响,4.2界面态对势垒高度的影响,由（4-1-2）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,结果是，自建电势被显著降低如图（4-4a），并且，根据式（4-1-3），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,图4-5镜像力降低金属-半导体势垒,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。

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4-3-1）,（4-3-2）,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,,,,,,,,,,,,,,,,（4-3-3）,（4-3-4）,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，势垒高度降低值为令，由（4-3-4）式得到,,（4-3-5）,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4-3-6）,,,,,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。

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：,,,,,,4.4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,,,（4-5-1）,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,,（4-5-2）,,,（4-5-3）,,,（4-5-4）,（4-5-5）,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,在半导体与金属界面处称为表面势。

取半导体内为电势零点，则表面势=-二、电流－电压特性〔李查德－杜师曼（Richardson-dushman）方程〕在M-S界面,,（4-5-6）,,,（4-5-7）,,,,,,,,,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,,,（4-5-9）,,,,,,,,,,,,,即,当有外加电压时,,（4-5-10）,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,由气体动力论，单位时间入射到单位面积上的电子数即进入金属的电子数为式中为热电子的平均热运动速度，为电子有效质量于是电子从半导体越过势垒向金属发射所形成的电流密度为与此同时电子从金属向半导体中发射的电流密度为,,,,（4-5-11）,,,,,,,,,,,,,,,,（4-5-12）,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,总电流密度为导带有效状态密度为，代入、，得到热电子发射理论的电流—电压关系,,,,,,,,,,,,,,,,,,（4-5-14）,,（4-5-13）,,,,,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,其中称为有效里查森常数，它是在电子向真空中发射时的里查森常数中，用半导体电子的有效质量代替自由电子质量而得到的代入有关常数，最后得到的单位为，其数值依赖于有效质量，对于N型硅和P型硅，分别为110和32；对于N型和P型，分别为8和74。