半导体物理器件 chapter4课件

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1、第四章金属-半导体结●肖特基势垒●界面态对势垒高度的影响●镜像力对势垒高度的影响●肖特基势垒二极管的电流-电压特性●肖特基势垒二极管的结构●金属-绝缘体-半导体肖特基势垒二极管●肖特基势垒二极管和PN结二极管之间的比较●肖特基势垒二极管的应用●欧姆接触引言金属-半导体结器件是应用于电子学的最古老的固态器件。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

2、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。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。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解释势垒的观点。十九世纪二十年代出现了钨-硫化铅点接触整流器和氧化亚铜整流器。同年，塔姆（Tamm）提出表面态的概念。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

3、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。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。引言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。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

4、和应用。1947年巴丁（Bardein）提出巴丁势垒模型4.1肖特基势垒4.1.1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。自建电势差对于金属流向半导体的电子，势垒高度或其中：4.1肖特基势垒4.1.2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4.1肖特基势垒4.1.2加偏压的肖特基势垒根据加偏压的的肖特基势垒能带图与单边突变PN结，正偏压下半导

5、体一边势垒的降低使得半导体中的电子更易于移向金属，能够流过大的电流。在反向偏压条件下，半导体一边势垒被提高。被提高的势垒阻挡电子由半导体向金属渡越。流过的电流很小。这说明肖特基势垒具有单向导电性即整流特性。由于金属可容纳大量的电子，空间电荷区很薄，因此加偏压的的肖特基势垒能带图中几乎不变。4.1肖特基势垒4.1.2加偏压的肖特基势垒对于均匀掺杂的半导体，类似于P+N结，在空间电荷区解Poisson方程可得空间电荷区宽度：（4-5）结电容：或：4.1肖特基势垒4.1.2加偏压的肖特基势垒与PN结情形一样，可以给出与的关系曲线以得到直线关系。从中

6、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（4-7）式，写成4.1肖特基势垒●学习要求了解金属—半导体接触出现两个最重要的效应画出热平衡情况下的肖特基势垒能带图了解公式（4-6）（4-1）（4-3）（4-5）（4-7）画出加偏压的的肖特基势垒能带图，根据能带图解释肖特基势垒二极管的整流特性由与的关系曲线求出自建电势和半导体的掺杂情况当以下的状态空着时()，表面荷正电，类似于施主的作用。4.2界面态对

7、势垒高度的影响一、界面态的概念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。二、界面态的特点界面态通常按能量连续分布，并可用一中性能级表征。当以上的状态被占据时()，表面荷负电，类似于受主的作用。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。在实际的接触中，界面态的净电荷为正，类似于施主。如果被占据的界面态高达，而以上空着，()则净表面电荷为零,这时的表面为电中性。4.2界面态对势垒高度的影响三、界面态的影响图4-4被表

8、面态钳制的费米能级4.2界面态对势垒高度的影响三、界面态的影响结果是，自建电势被显著降低如图（4-4a），并且，根据式（4-3），势垒高度也被降低。从图4-4（a）