《半导体理器件物》PPT课件.ppt

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1、第四章第四章 金属金属-半导体结半导体结肖特基势垒肖特基势垒界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响镜像力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结构肖特基势垒二极管的结构肖特基势垒二极管的电流肖特基势垒二极管的电流-电压特性电压特性金属金属-绝缘体绝缘体-半导体肖特基势垒二极管半导体肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管和肖特基势垒二极管和PNPN结二极管之间的比较结二极管之间的比较肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用欧姆接触欧姆接触金属金属-半半导体体结引言引言金属金属-半导体结器件是应用于电子学的最古老的半导体结器件是应用于电子学的最古老的固态器件固态器件。金属金属

2、半导体形成的冶金学接触叫做半导体形成的冶金学接触叫做金属金属-半导体结（半导体结（M-SM-S结）结）或或金属金属-半导体接触半导体接触。把须状的金属触针压在半导体晶体上或者。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金属-半导体结，前者称为半导体结，前者称为点接触点接触，后者则相对地叫做，后者则相对地叫做面接触面接触。金属金属-半导体接触出现半导体接触出现两个最重要的效应两个最重要的效应：其一是：其一是整流效应整流效应，其二是其二是欧姆效应欧姆效应。前者称为。前者称为整流接触整流接触，又

3、叫做，又叫做整流结整流结。后者。后者称为称为欧姆接触欧姆接触，又叫做，又叫做非整流结非整流结。18741874年布朗（年布朗（BrawnBrawn）就提出了金属与硫化铅晶体接触间）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。具有不对称的导电特性。19061906年皮卡德（年皮卡德（PickardPickard）获得了硅点接触整流器专利。）获得了硅点接触整流器专利。金属金属-半半导体体结引言引言19381938年肖特基和莫特（年肖特基和莫特（MottMott）各自独立提出）各自独立提出电子以漂移和扩电子以漂移和扩散的方式解释势垒的观点。散的方式解释势垒的观点。1919世纪世纪2020年代

4、出现了钨年代出现了钨-硫化铅点接触整流器和氧化亚铜整流器。硫化铅点接触整流器和氧化亚铜整流器。同年，塔姆（同年，塔姆（TammTamm）提出）提出表面态表面态的概念。的概念。19311931年肖特基年肖特基(Schottky)(Schottky)等人提出等人提出M-SM-S接触处存在某种接触处存在某种“势垒势垒”的想法。的想法。19321932年威尔逊（年威尔逊（WilsonWilson）等用量子理论的隧道效应和势垒的）等用量子理论的隧道效应和势垒的概念解释了概念解释了M-SM-S接触的整流效应接触的整流效应。19071907年皮尔斯（年皮尔斯（PiercePierce）提出，在各种半导体上溅

5、射金属可）提出，在各种半导体上溅射金属可以制成整流二极管。以制成整流二极管。金属金属-半半导体体结引言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，由于点接触二极管的重复性很差，5050年代，在大多数情况下年代，在大多数情况下它们已由它们

6、已由PNPN结二极管所代替。结二极管所代替。到到7070年代，采用新的半导体平面工艺和真空工艺来制造具有年代，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重复性的金属-半导体接触，使金属半导体接触，使金属-半导体结器件获得迅速的半导体结器件获得迅速的发展和应用。发展和应用。19471947年巴丁（年巴丁（BardeinBardein）提出巴丁势垒模型）提出巴丁势垒模型金属金属-半半导体体结肖特基势垒肖特基势垒 肖特基势垒的形成肖特基势垒的形成考虑金属与考虑金属与N-N-半导体半导体半导体功函数半导体功函数金属的功函数金属的功函数电子亲和势电子亲和势(真空能级和导带底之差）真空能级和导

7、带底之差）假设半导体表面没有表面态，接触是理想的，半导体能带直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。到表面都是平直的。自建电势差自建电势差肖特基势垒高度肖特基势垒高度或或其中其中：金属金属-半半导体体结肖特基势垒肖特基势垒 加偏压的肖特基势垒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正偏压：在半导体上相对于金属加一负电压半导体半导体-金属之间的电势差减少为金属之间的电势差减少为 ，变成变成反偏压：正电压反偏压：正电压 加于半导体上加于半导体上势垒被提高到势垒被提高到金属金属-半半导体体结肖特基势垒肖特基势垒 加偏压的肖特基势垒加偏压的肖特基势垒根据

8、加偏压的的肖特基势垒能带图与单边突变根据加偏压的的肖特基势垒能带图与单边突变PNPN结，正偏压下结，正偏压下半导体一边势垒的降低使得半导体中的电子更易于移向金属，能半导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。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。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。这说明这说明肖特基势垒具有单向导电性即整流特性肖特基势垒具有单向导电性即整流特性。由于金属中具有大量的电子，空间电荷区很薄，因此加偏压的由于金属中具有大量的

9、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的肖特基势垒能带图中 几乎不变。几乎不变。金属金属-半半导体体结肖特基势垒肖特基势垒 加偏压的肖特基势垒加偏压的肖特基势垒对于均匀掺杂的半导体，类似于对于均匀掺杂的半导体，类似于P P+N N结，在空间电荷区解结，在空间电荷区解PoissonPoisson方程可得空间电荷区宽度：方程可得空间电荷区宽度：（4-1-74-1-7）结电容结电容：或或：金属金属-半半导体体结肖特基势垒肖特基势垒 加偏压的肖特基势垒加偏压的肖特基势垒与与PNPN结情形一样，可以给出结情形一样，可以给出 与与 的关系曲线以得到直线的关系曲线以得到直线关系。从中可以计算

10、出自建电势和半导体的掺杂浓度关系。从中可以计算出自建电势和半导体的掺杂浓度图图4-3 钨钨 硅和钨硅和钨 砷化镓的二极管砷化镓的二极管1/C2与外加电压的对应关系与外加电压的对应关系 金属金属-半半导体体结肖特基势垒肖特基势垒例：从图例：从图4-34-3计算硅肖特基二极管施主浓度、自建电势、势垒高度。计算硅肖特基二极管施主浓度、自建电势、势垒高度。解：解：利用（利用（4-4-1-91-9）式）式 ，写成，写成金属金属-半半导体体结肖特基势垒肖特基势垒 学习要求学习要求了解金属了解金属半导体接触出现两个最重要的效应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画出热平衡情况下

11、的肖特基势垒能带图掌握公式掌握公式（4-1-64-1-6）（4-1-14-1-1）（4-1-34-1-3）（4-1-54-1-5）（4-1-74-1-7）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势垒二极管的整流特性由由 与与 的关系曲线求出自建电势和半导体的掺杂情况的关系曲线求出自建电势和半导体的掺杂情况金属金属-半半导体体结界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响一、一、界面态的概念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，

12、称为界面态或表面态，位于禁带内。量状态，称为界面态或表面态，位于禁带内。二、二、界面态的特点界面态的特点界面态通常按能量连续分布，并可用一中性能级界面态通常按能量连续分布，并可用一中性能级 表征。表征。如果被占据的界面态高达如果被占据的界面态高达 ，而，而 以上空着，则这时的表以上空着，则这时的表面为电中性面为电中性。当当 以下的状态空着时，表面荷正电，类似于施主的作用。以下的状态空着时，表面荷正电，类似于施主的作用。当当 以上的状态被占据时，表面荷负电，类似于受主的作用。以上的状态被占据时，表面荷负电，类似于受主的作用。若若 与费米能级对准，则净表面电荷为零。与费米能级对准，则净表面电荷为零

13、。在实际的接触中，在实际的接触中，时，界面态的净电荷为正，类似于施主。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。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。金属金属-半半导体体结界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响三、三、界面态的影响界面态的影响图图4-4 4-4 被表面态钳制的费米能级被表面态钳制的费米能级金属金属-半半导体体结界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响三、三、界面态的

14、影响界面态的影响结果是，自建电势被显著降低如图（结果是，自建电势被显著降低如图（4-4a4-4a），并且，根据式（），并且，根据式（4-1-34-1-3），），势垒高度势垒高度 也被降低。从图也被降低。从图4-44-4（a a）看到，更小的）看到，更小的 使使 更接近更接近 。与此类似，若。与此类似，若 ，则在界面态中有负电荷，并使，则在界面态中有负电荷，并使 增加，还增加，还是使是使 和和 接近（图接近（图4-4b4-4b）。因此，界面态的电荷具有负反馈效应，）。因此，界面态的电荷具有负反馈效应，它趋向于使它趋向于使 和和 接近。若界面态密度很大，接近。若界面态密度很大，则费米能级实际上则费

15、米能级实际上被钳位在被钳位在 （称为费米能级钉扎效应），而（称为费米能级钉扎效应），而 变成与金属和半导体变成与金属和半导体的功函数无关。在大多数实用的肖特基势垒中，界面态在决定的功函数无关。在大多数实用的肖特基势垒中，界面态在决定 数值数值当中处于支配地位，势垒高度基本上与两个功函数差以及半导体中的当中处于支配地位，势垒高度基本上与两个功函数差以及半导体中的掺杂度无关。由实验观测到的势垒高度列于表掺杂度无关。由实验观测到的势垒高度列于表4-14-1中。发现大多数半导中。发现大多数半导体的能量体的能量 在离开价带边在离开价带边 附近。附近。金属金属-半半导体体结界面态对势垒高度的影响界面态对势

16、垒高度的影响三、三、界面态的影响界面态的影响表表4-1 4-1 以电子伏特为单位的以电子伏特为单位的N N型半导体上的肖特基势垒高度型半导体上的肖特基势垒高度金属金属-半半导体体结镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响一、一、镜像力降低肖特基势垒高度（肖特基效应）镜像力降低肖特基势垒高度（肖特基效应）（4-8）（4-9）镜象力引起的电子电势能为镜象力引起的电子电势能为据库仑定律，镜像力为据库仑定律，镜像力为其中边界条件取为其中边界条件取为:时，时，；和和 时，时，。金属金属-半半导体体结镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响一、一、镜像力降低肖特基势垒高度（肖特基效应）镜像力降低肖

17、特基势垒高度（肖特基效应）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为近的导带底势能曲线为（4-3-3）其中其中 为表面附近的电场，等于势垒区最大电场（包括内建为表面附近的电场，等于势垒区最大电场（包括内建电场和偏压电场）。总势能为电场和偏压电场）。总势能为可见原来的理想肖特基势垒的电子能量可见原来的理想肖特基势垒的电子能量在在 处下降，也就是说使肖特基势处下降，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，又叫做肖特基效应力降低现象，又叫做肖特基效应。金属金属-

18、半半导体体结镜像力对势垒高度的影响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设势垒高度降低的位置发生在 处，势垒高度降低值为处，势垒高度降低值为 。令令 ，由（由（4-3-44-3-4）式得到）式得到（4-4-5）金属金属-半半导体体结镜像力对势垒高度的影响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二、势垒降低的大小和发生的位置 由于由于故故（4-3-6）大电场下，肖特基势垒被镜像力降低很多。大电场下，肖特基势垒被镜像力降低很多。金属金属-半半导体体结镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响二、势垒降低的大小和发

19、生的位置二、势垒降低的大小和发生的位置 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，则所得结果是是 ；如果测量方法只与耗尽层的空间电荷有关而；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。像力影响。金属金属-半半导体体结镜像力对势垒高度的影响镜像力对势

20、垒高度的影响三、空穴镜像力三、空穴镜像力 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，如图向上弯曲，如图4-64-6所示，但它不象导带底那样有极值，结所示，但它不象导带底那样有极值，结果使接触处的能带变窄。果使接触处的能带变窄。金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管的结构肖特基势垒二极管的结构 图图4-8 实用的肖特基二极管结构：实用的肖特基二极管结构：（a）简单接触，（简单接触，（b）采用金属搭接，（采用金属搭接，（C）采用保护环二极管。采用保护环二极管。金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管的电流肖特基势垒二极管的电流-

21、电压特性电压特性热电子和热载流子二极管：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高出约 。进入金属之后它们在金属中碰撞以给出这份多。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

22、，这个时间一般情况小于就会和金属电子达到平衡，这个时间一般情况小于 。金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管的电流肖特基势垒二极管的电流-电压特性电压特性一、一、空间电荷区中载流子浓度的变化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）（4-5-2）设半导体内本征费米能级为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，热平衡时半导体内部的载流子浓度为表面空间电荷区内，本征费米能级为表面空间电荷区内，本征费米能级为（4-5-3）金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管的电流肖特基势垒二极管的电

23、流-电压特性电压特性一、一、空间电荷区中载流子浓度的变化空间电荷区中载流子浓度的变化 则空间电荷区中载流子浓度为则空间电荷区中载流子浓度为（4-5-4）（4-5-5）在半导体与金属界面处在半导体与金属界面处（4-5-6）（4-5-7）称为表面势。称为表面势。取半导体内为电势零点，则表面势取半导体内为电势零点，则表面势金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管的电流肖特基势垒二极管的电流-电压特性电压特性二、二、电流电压特性电流电压特性(理查森理查森杜师曼（杜师曼（Richardson-dushmanRichardson-dushman）方程）方程)在在 M-S M-S 界面界面（4-5-9）（4-

24、5-10）即即当有外加电压当有外加电压 V V 时时 金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管的电流肖特基势垒二极管的电流-电压特性电压特性二、二、电流电压特性电流电压特性(理查森理查森杜师曼（杜师曼（Richardson-dushmanRichardson-dushman）方程）方程)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式中（4-5-12）为热电子的平均热运动速度，为热电子的平均热运动速度，为电子有效质量。为电子有效质量。（4-5-13）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于是电

25、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与此同时电子从金属向半导体中发射的电流密度为金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管的电流肖特基势垒二极管的电流-电压特性电压特性二、二、电流电压特性电流电压特性(理查森理查森杜师曼（杜师曼（Richardson-dushmanRichardson-dushman）方程）方程)总电流密度为总电流密度为（4-5-14）（4-5-13）导带有效状态密度为导带有效状态密度为 ，代入，代入 、，得到热电子，得到热电子发射理论的电流发射理论的电流电压关系电压关系金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管的电流肖特基势垒二

26、极管的电流-电压特性电压特性二、二、电流电压特性电流电压特性(理查森杜师曼（理查森杜师曼（Richardson-dushmanRichardson-dushman）方程）方程)其中其中（4-5-15）（4-5-16）（4-5-17）的单位为的单位为 ，其数值依赖于有效质量，对于，其数值依赖于有效质量，对于N N型硅和型硅和P P型硅，分型硅，分别为别为110110和和3232；对于；对于N N型和型和P P型型GaAsGaAs，分别为，分别为8 8和和7474。称为称为有效理查森常数有效理查森常数，它是在电子向真空中发射时的里查森常数中，用半导体，它是在电子向真空中发射时的里查森常数中，用半导

27、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，最后得到金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管的电流肖特基势垒二极管的电流-电压特性电压特性二、二、电流电压特性电流电压特性(理查森杜师曼（理查森杜师曼（Richardson-dushmanRichardson-dushman）方程）方程)当肖特基势垒被施加反向偏压当肖特基势垒被施加反向偏压 时，将（时，将（4-5-144-5-14）式中的）式中的 换成换成 即可得到反向偏压下即可得到反向偏压下M-SM-S的电流的电流电压关系。于是，金属半导体结在正反电压关系。于是，金属半导体

28、结在正反两种偏压下的电流两种偏压下的电流电压关系可以统一用下式表示电压关系可以统一用下式表示（4-5-18）（4-5-19）称为理想化因子，它是由非理想效应引起的。对于理想的肖特基势垒称为理想化因子，它是由非理想效应引起的。对于理想的肖特基势垒二极管，二极管，两种肖特基二极管的实验两种肖特基二极管的实验 特性示于图特性示于图4-74-7中。中。金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管的电流肖特基势垒二极管的电流-电压特性电压特性二、二、电流电压特性电流电压特性(理查森杜师曼（理查森杜师曼（Richardson-dushmanRichardson-dushman）方程）方程)图4.7 和和 肖特基

29、肖特基二二极极管正向管正向电电流密度流密度与与电压电压的的对应对应关关系系金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管的电流肖特基势垒二极管的电流-电压特性电压特性二、二、电流电压特性电流电压特性(理查森杜师曼（理查森杜师曼（Richardson-dushmanRichardson-dushman）方程）方程)使正向使正向I-VI-V曲线延伸至曲线延伸至 ，可以求出参数，可以求出参数 ，可以用它和（，可以用它和（4-5-4-5-1515）式一起来求出势垒高度。理想化因子可由半对数曲线的斜率计算出）式一起来求出势垒高度。理想化因子可由半对数曲线的斜率计算出来。对于来。对于SiSi二极管得到二极管得到

30、，GaAsGaAs二极管二极管 。可见（。可见（4-5-4-5-1414）式较好地适用于）式较好地适用于SiSi、GeGe和和GaAsGaAs等常用半导体材料作成的肖特基势垒。等常用半导体材料作成的肖特基势垒。以上分析说明，肖特基势垒电流基本上是由多子传导的，是一种多子器件。以上分析说明，肖特基势垒电流基本上是由多子传导的，是一种多子器件。值得指出的是，根据式（值得指出的是，根据式（4-284-28），反向电流应为常数，这与实验数据出现），反向电流应为常数，这与实验数据出现偏差。其原因之一是偏差。其原因之一是4.3 4.3 节中所指出的镜像力作用。把节中所指出的镜像力作用。把 换成换成 ，则饱

31、和电流改为则饱和电流改为实验发现，用上述方程来描述肖特基势垒二极管的电流电压特性更为精实验发现，用上述方程来描述肖特基势垒二极管的电流电压特性更为精确，特别是对反向偏压情况的描述。确，特别是对反向偏压情况的描述。金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管的电流肖特基势垒二极管的电流-电压特性电压特性三、三、少数载流子电流少数载流子电流 空穴从金属注入到半导体中形成电流。这个电流实际上是半导体价带顶附空穴从金属注入到半导体中形成电流。这个电流实际上是半导体价带顶附近的电子流向金属费米能级以下的空状态而形成的。近的电子流向金属费米能级以下的空状态而形成的。（4-5-21）（4-5-22）其中其中在象硅

32、这样的共价键半导体中在象硅这样的共价键半导体中 要比要比 小的多，结果是热离子发小的多，结果是热离子发射电流通常远远大于少数载流子电流射电流通常远远大于少数载流子电流 金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管的电流肖特基势垒二极管的电流-电压特性电压特性例：一个肖特基势垒二极管，例：一个肖特基势垒二极管，计算势垒高度和耗尽层宽度。比，计算势垒高度和耗尽层宽度。比较多数载流子电流和少数载流子电流，假设较多数载流子电流和少数载流子电流，假设解：解：由图由图4-74-7求得求得 。由方程（由方程（4-5-154-5-15）于是于是金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管的电流肖特基势垒二极管的电流-电压

33、特性电压特性例：一个肖特基势垒二极管，例：一个肖特基势垒二极管，计算势垒高度和耗尽层宽度。比，计算势垒高度和耗尽层宽度。比较多数载流子电流和少数载流子电流，假设较多数载流子电流和少数载流子电流，假设解：解：时，耗尽层宽度为时，耗尽层宽度为设设，则，则因此：因此：金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管的电流肖特基势垒二极管的电流-电压特性电压特性 学习要求学习要求掌握概念：表面势、热电子、热载流子二极管、里查森常数、有效里查掌握概念：表面势、热电子、热载流子二极管、里查森常数、有效里查森常数森常数导出表面空间电荷区内载流子浓度表达式和半导体表面载流子浓度表达导出表面空间电荷区内载流子浓度表达式和

34、半导体表面载流子浓度表达式：（式：（4-5-44-5-4）、（）、（4-5-54-5-5）、（）、（4-5-64-5-6）、（）、（4-5-74-5-7）导出电流电压特性导出电流电压特性李查德杜师曼（李查德杜师曼（Richardson-dushmanRichardson-dushman）方程）方程（4-5-184-5-18）、（）、（4-5-194-5-19）结合例题，比较少子空穴电流与多子电流。结合例题，比较少子空穴电流与多子电流。金属金属-半半导体体结4.6 4.6 金属金属-绝缘体绝缘体-半导体肖特基二极管半导体肖特基二极管一、基本结构一、基本结构 在实际情况中，当金属接触被蒸发到化学制

35、备的在实际情况中，当金属接触被蒸发到化学制备的SiSi表面上时，在金属和表面上时，在金属和半导体之间的界面上总有一层氧化层。氧化层很薄，一般为半导体之间的界面上总有一层氧化层。氧化层很薄，一般为 图图4-9 MIS4-9 MIS结构的能带图结构的能带图 金属金属-半半导体体结4.6 4.6 金属金属-绝缘体绝缘体-半导体肖特基二极管半导体肖特基二极管二、二、MISMIS肖特基二极管肖特基二极管在热平衡时，有一个电位降跨越在氧化层上使得势垒高度被改变。在在热平衡时，有一个电位降跨越在氧化层上使得势垒高度被改变。在MISMIS肖特基二极管中，传导电流是由载流子隧道穿透氧化层所形成的：肖特基二极管中

36、，传导电流是由载流子隧道穿透氧化层所形成的：从导带边缘算起的平均势垒高度，以电子伏特为单位。从导带边缘算起的平均势垒高度，以电子伏特为单位。氧化层厚度，以埃为单位。氧化层厚度，以埃为单位。的乘积无量纲的乘积无量纲在一般情况下，若外加电压不变，薄氧化层只减少多数载流子电流，但不在一般情况下，若外加电压不变，薄氧化层只减少多数载流子电流，但不降低少数载流子电流。这导致少数载流子电流与多数载流子电流的比率的降低少数载流子电流。这导致少数载流子电流与多数载流子电流的比率的增长。结果是增加了少数载流子的注入比，这有利于改善诸如太阳电池和增长。结果是增加了少数载流子的注入比，这有利于改善诸如太阳电池和发光

37、二极管等器件的发光二极管等器件的性能性能。金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管和肖特基势垒二极管和P-NP-N结二极管之间的比较结二极管之间的比较肖特基势垒二极管是多子器件，肖特基势垒二极管是多子器件，P-NP-N结二极管是少子器件。结二极管是少子器件。（1 1）在肖特基势垒中，由于没有少数载流子贮存，因此肖）在肖特基势垒中，由于没有少数载流子贮存，因此肖特基势垒二极管适于高频和快速开关的应用。特基势垒二极管适于高频和快速开关的应用。（2 2）肖特基势垒上的正向电压降要比）肖特基势垒上的正向电压降要比P-NP-N结上的低得多。低结上的低得多。低的接通电压使得肖特基二极管对于钳位和限辐的应用具

38、有吸的接通电压使得肖特基二极管对于钳位和限辐的应用具有吸引力。引力。（3 3）肖特基势垒的温度特性优于）肖特基势垒的温度特性优于P-NP-N结。结。（4 4）噪声特性也优于）噪声特性也优于P-NP-N结。此外，肖特基势垒二极管制造结。此外，肖特基势垒二极管制造工艺简单。工艺简单。金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管和肖特基势垒二极管和P-NP-N结二极管之间的比较结二极管之间的比较金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管和肖特基势垒二极管和P-NP-N结二极管之间的比较结二极管之间的比较 学习要求学习要求了解与结型二极管相比肖特基势垒二极管的主要特点。了解与结型二极管相比肖特基势垒二极管的主要

39、特点。金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用肖特基二极管的等效电路肖特基二极管的等效电路C Cd d结电容，结电容，r rs s串联电阻。串联电阻。（4-8-14-8-1）为二极管结电阻（扩散电阻）。为二极管结电阻（扩散电阻）。金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用一、肖特基势垒检波器或混频器一、肖特基势垒检波器或混频器由电磁学，复阻抗由电磁学，复阻抗当当 时在时在 上的功率耗散和在结上的相等。式中上的功率耗散和在结上的相等。式中 称为截止频率。因为称为截止频率。因为 ，所以有，所以有（4-8-34-8-3）对于高频运用，对于高频运用，、

40、和和 都应该很小。如果半导体具有高杂质浓度和都应该很小。如果半导体具有高杂质浓度和高迁移率，是能够实现小的高迁移率，是能够实现小的 。通过采用。通过采用GaAsGaAs材料，工作频率接近材料，工作频率接近100 100 GHz GHz 看来是有可能的。看来是有可能的。金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用二、二、肖特基势垒钳位晶体管肖特基势垒钳位晶体管 金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用二、二、肖特基势垒钳位晶体管肖特基势垒钳位晶体管 当开关晶体管饱和时，集电结被正向偏置约达。若在肖特当开关晶体管饱和时，集电结被正向偏置约达。若在肖特

41、基二极管上的正向压降（一般为）低于晶体管基极基二极管上的正向压降（一般为）低于晶体管基极 集电极的集电极的开态电压，则大部分过量基极电流流过二极管，该二极管没有开态电压，则大部分过量基极电流流过二极管，该二极管没有少数载流子贮存效应。因此，与单独的晶体管相比较，合成器少数载流子贮存效应。因此，与单独的晶体管相比较，合成器件的贮存时间得到显著的降低。测得的贮存时间可以低于件的贮存时间得到显著的降低。测得的贮存时间可以低于1ns1ns。肖特基势垒钳位晶体管是按示于图肖特基势垒钳位晶体管是按示于图4-13b4-13b的结构以集成电的结构以集成电路的形式实现的。铝在轻掺杂的路的形式实现的。铝在轻掺杂的

42、N N型集电区上能形成极好的肖型集电区上能形成极好的肖特基势垒，并同时在重掺杂的特基势垒，并同时在重掺杂的P P型基区上面形成优良的欧姆接型基区上面形成优良的欧姆接触。这两种接触可以只通过一步金属化作成，无需额外的工艺。触。这两种接触可以只通过一步金属化作成，无需额外的工艺。金属金属-半半导体体结肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用 学习要求学习要求画出肖特基势垒二极管的等效电路，说明各参数所代表的意画出肖特基势垒二极管的等效电路，说明各参数所代表的意义。义。画出肖特基势垒钳位晶体管的电路图和集成结构示意图。画出肖特基势垒钳位晶体管的电路图和集成结构示意图。说明肖特基势垒钳位晶体管的工

43、作原理。说明肖特基势垒钳位晶体管的工作原理。金属金属-半半导体体结4.9 4.9 欧姆接触：非整流的欧姆接触：非整流的M MS S结结欧姆接触欧姆接触:定义为这样一种接触，它在所使用的结构上不会添加较大的寄定义为这样一种接触，它在所使用的结构上不会添加较大的寄生阻抗，且不足以改变半导体内的平衡载流子浓度使器件特性受到影响。生阻抗，且不足以改变半导体内的平衡载流子浓度使器件特性受到影响。考虑考虑 的金属和的金属和N N型半导体对。图型半导体对。图4-144-14是它们在接触之前和接触后的能带图。是它们在接触之前和接触后的能带图。图图4-14 4-14 的金属和的金属和N N型半导体的接触的能带图

44、：（型半导体的接触的能带图：（a a）接触之前，（）接触之前，（b b）接触之后处于平衡态）接触之后处于平衡态 金属金属-半半导体体结4.9 4.9 欧姆接触：非整流的欧姆接触：非整流的M MS S结结图图4-14 的金属和的金属和N N型半导体的接触的能带图：型半导体的接触的能带图：（c c）在半导体一边加上负电压，（）在半导体一边加上负电压，（d d）在半）在半 导体一边加上正电压导体一边加上正电压 金属金属-半半导体体结4.9 4.9 欧姆接触：非整流的欧姆接触：非整流的M MS S结结可以看出在结处几乎不存在势垒，因此载流子可以自由地通过任一方可以看出在结处几乎不存在势垒，因此载流子可

45、以自由地通过任一方向，结果，这种向，结果，这种M-SM-S结是非整流的结是非整流的。金属金属P P型半导体：型半导体：欧姆结：欧姆结 ：整流结：整流结金属金属N N型半导体：型半导体：整流结：整流结 ：欧姆结：欧姆结金属和重掺杂半导体之间形成欧姆接触：载流子可以隧道穿透而不是越过势垒。金属和重掺杂半导体之间形成欧姆接触：载流子可以隧道穿透而不是越过势垒。金属金属-半半导体体结4.9 4.9 欧姆接触：非整流的欧姆接触：非整流的M MS S结结图图4-15金属在金属在 N N+半导体上的接触的能带图和电流半导体上的接触的能带图和电流 电压曲线电压曲线金属金属-半半导体体结 学习要求学习要求画出能带图说明金属画出能带图说明金属-半导体接触的整流结和欧姆结半导体接触的整流结和欧姆结。画出能带图说明金属和重掺杂半导体之间形成欧姆接触。画出能带图说明金属和重掺杂半导体之间形成欧姆接触。4.9 4.9 欧姆接触：非整流的欧姆接触：非整流的M MS S结结