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1、第4章金属半导体结现在学习的是第1页，共83页 引言引言p金属金属-半导体形成的冶金学接触叫做金属半导体形成的冶金学接触叫做金属-半导体结半导体结（M-SM-S结）或金属结）或金属-半导体接触。半导体接触。p把须状的金属触针压在半导体晶体上或者在高真空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金属薄膜都可以下向半导体表面上蒸镀大面积金属薄膜都可以实现实现金属金属-半导体结，前者称半导体结，前者称点接触点接触，后者则相对叫做，后者则相对叫做面接触面接触。p金属金属-半导体接触出现两个最重要效应：半导体接触出现两个最重要效应：整流整流效应效应和和欧姆欧姆效应。前者称为整
2、流接触，又叫做整流结。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。后者称为欧姆接触，又叫做非整流结。现在学习的是第2页，共83页 引言引言p金属金属-半导体结器件是应用于电子学的最古老的固半导体结器件是应用于电子学的最古老的固态器件。态器件。p18741874年，布朗（年，布朗（BrawnBrawn）就提出了金属与硫化铅晶）就提出了金属与硫化铅晶体接触具有不对称的导电特性。体接触具有不对称的导电特性。p19061906年，皮卡德（年，皮卡德（PickardPickard）获得了硅点接触整流）获得了硅点接触整流器专利。器专利。p19071907年，皮尔斯（年，皮尔斯（
3、PiercePierce）提出，在各种半导体）提出，在各种半导体上溅射金属可以制成整流二极管。上溅射金属可以制成整流二极管。现在学习的是第3页，共83页 引言引言p二十年代，出现钨二十年代，出现钨-硫化铅点接触整流器和氧化亚硫化铅点接触整流器和氧化亚铜整硫器。铜整硫器。p19311931年，肖特基年，肖特基(Schottky)等人提出等人提出M-SM-S接触处可能接触处可能存在某种存在某种“势垒势垒”的想法。的想法。p19321932年，威尔逊年，威尔逊（Wilson）等用量子理论的隧道效等用量子理论的隧道效应和势垒的概念解释了应和势垒的概念解释了M-SM-S接触的整流效应。接触的整流效应。p
4、19381938年，肖特基和莫特年，肖特基和莫特（Mott）各自独立提出电子各自独立提出电子以漂移和扩散方式越过势垒观点。塔姆以漂移和扩散方式越过势垒观点。塔姆（Tamm）提出表面态概念。提出表面态概念。现在学习的是第4页，共83页 引言引言p19471947年，巴丁（年，巴丁（BardeinBardein）提出巴丁势垒模型。）提出巴丁势垒模型。p5050年代，由于点接触二极管的重复性很差，大多年代，由于点接触二极管的重复性很差，大多数情况下它们已由数情况下它们已由PNPN结二极管所代替。结二极管所代替。p7070年代，采用新的半导体平面工艺和真空工艺来年代，采用新的半导体平面工艺和真空工艺来
5、制造具有重复性的金属制造具有重复性的金属-半导体接触，使金属半导体接触，使金属-半半导体结器件获得迅速的导体结器件获得迅速的发展和应用发展和应用。现在学习的是第5页，共83页 引言引言p非整流结不论外加电压的极性如何都具有低的欧姆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。压降而且不呈整流效应。p非整流接触几乎对所有半导体器件的研制和生产都非整流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。欧姆接触与其它器件或电路元件相连接。现在学习的是第6页，共83页4.
6、1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒第四章第四章 金属金属-半导体结半导体结现在学习的是第7页，共83页4.1.1 肖特基势垒肖特基势垒一、肖特基势垒形成（考虑一、肖特基势垒形成（考虑金属与金属与N N型半导体型半导体）半导体功函数半导体功函数 金属功函数金属功函数 半导体电子亲和势半导体电子亲和势 假设半导体表面没有表面态，能带直到表面平直。假设半导体表面没有表面态，能带直到表面平直。自建电势差自建电势差 肖特基势垒高度肖特基势垒高度（4-1）（4-3）（4-4）（4-2）现在学习的是第8页，共83页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒二、加偏压肖特基势垒二、加偏压肖特基势垒(小结小结4 4)正
7、偏压正偏压：半导体上相对于金属加：半导体上相对于金属加负负电压电压 ,半导体半导体-金属之间金属之间电势差减少为电势差减少为 ，变成变成 .反偏压反偏压：半导体上加：半导体上加正正电压电压 ,势垒提高到势垒提高到图图4-2 4-2 肖特基势垒的能带图肖特基势垒的能带图（a a）未加偏压未加偏压（b b）加有正向偏压加有正向偏压（c c）加有反向偏压加有反向偏压现在学习的是第9页，共83页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒p 均匀掺杂半导体，空间电荷区宽度均匀掺杂半导体，空间电荷区宽度(类似类似 )（4-5）结电容结电容（4-6）（4-7）现在学习的是第10页，共83页4.1 4.1 肖特基势
8、垒肖特基势垒p与与P-NP-N结情形一样，给出结情形一样，给出 与与 关系曲线关系曲线,得直线关系得直线关系,可以计算出自建电势和半导体的掺杂浓度。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 钨钨 砷化镓砷化镓钨钨 硅硅现在学习的是第11页，共83页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒例题：从图例题：从图4-34-3计算硅肖特基二极管的施主浓度、自建电势和计算硅肖特基二极管的施主浓度、自建电势和 势垒高度。势垒高度。解解 利用（利用（4-74-7）式）式 图图4-34-3中电容按单位面积表示
9、，中电容按单位面积表示，。求得。求得 现在学习的是第12页，共83页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒从图从图4-34-3现在学习的是第13页，共83页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒 小结小结1.1.金金属属-半半导导体体接接触触出出现现两两个个最最重重要要的的效效应应：整整流流效效应应和和欧欧姆姆效效应应。前前者者称称整整流流接接触触，又又叫叫做做整整流流结结。后后者者称称欧欧姆姆接接触触，又叫做非整流结。又叫做非整流结。2.2.热平衡情况下肖特基势垒能带图。热平衡情况下肖特基势垒能带图。3.3.半导体空间电荷层自建电势半导体空间电荷层自建电势肖特基势垒高度肖特基势垒高度现在学习的是
10、第14页，共83页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒 小结小结4 4.加偏压的肖特基势垒能带图与单边突变加偏压的肖特基势垒能带图与单边突变PNPN结类似结类似.正偏压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，能够流过大的电流。在反向偏压条件下，半导体一金属，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。即整流特性。5
11、.5.由于金属中具有大量的电子，空间电荷区很薄，因此加偏由于金属中具有大量的电子，空间电荷区很薄，因此加偏压的的肖特基势垒能带图中压的的肖特基势垒能带图中 几乎不变。几乎不变。6.6.解解PoissonPoisson方程可得肖特基势垒的空间电荷区宽度方程可得肖特基势垒的空间电荷区宽度现在学习的是第15页，共83页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒 小结小结7.7.肖特基势垒结电容肖特基势垒结电容 8.8.与单边突变与单边突变PNPN结公式相同结公式相同,与与P-NP-N结情形一样，可由结情形一样，可由 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。
12、现在学习的是第16页，共83页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒 教学要求教学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。画出热平衡情况下的肖特基势垒能带图。掌握公式掌握公式现在学习的是第17页，共83页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒 教学要求教学要求 画画出出加加偏偏压压的的的的肖肖特特基基势势垒垒能能带带图图，根根据据能能带带图图解解释释肖肖特特基基势垒二极管的整流特性势垒二极管的整流特性为什么偏压情况下为什么偏压情况下 不变？不变？由由 与与 的关系曲线求自建电势和半导体掺杂。的关系曲线求自建电势和半导体掺
13、杂。v作业：作业：4.14.1、4.24.2、4.34.3、4.44.4、4.54.5、现在学习的是第18页，共83页4.2 4.2 界面态对势垒高度影响界面态对势垒高度影响第四章第四章 金属金属半导体结半导体结现在学习的是第19页，共83页4.2 4.2 界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响 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现在学习的是第20页，共83页4.2 4.2 界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响 实际的肖特基二极管中，在界面处实际的肖特基二极管中，在界面处,晶格的断晶格的断裂产生大量能量状态，称为界面态或表面态，裂产生大量能量状态，称为界
14、面态或表面态，位于禁带内。位于禁带内。现在学习的是第21页，共83页4.2 4.2 界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响 界面态常按能量连续分布，用界面态常按能量连续分布，用中性能级中性能级 表征。表征。如被占据的界面态高达如被占据的界面态高达 ，而，而 以上空着，则这时的以上空着，则这时的表面为电中性表面为电中性。也就是说，当也就是说，当 以下的状态空着时，表面荷正电，以下的状态空着时，表面荷正电，类似类似施主施主的作用；当的作用；当 以上的状态被占据时，表面荷负以上的状态被占据时，表面荷负电，类似电，类似受主受主的作用。若的作用。若 与费米能级对准，则净表面与费米能级对准，则净表面
15、电荷为零。电荷为零。现在学习的是第22页，共83页4.2 4.2 界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响 实际接触中，实际接触中，界面态的净，界面态的净电荷为正电荷为正，类似，类似施主。施主。这些正电荷和金属表面的负电荷所形成的电场在金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。内需要较少的电离施主以达到平衡。结果，自建电势被显著结果，自建电势被显著降低降低,（图图4-44-4a a），），且势垒且势垒高度高度 也被降低，更小的也被降低，更小的 使使 更近更近
16、。现在学习的是第23页，共83页4.2 4.2 界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响 类似，若类似，若 ，则在界面态中有，则在界面态中有负电荷负电荷，并使，并使 增加，使增加，使 和和 接近（接近（图图4-44-4b b）。）。因此因此 ，界面态的电荷具有，界面态的电荷具有负反馈负反馈效应，它趋向于使效应，它趋向于使 和和 接近。接近。若界面态密度若界面态密度 很大很大,则费米能级实际上被钳位在则费米能级实际上被钳位在 （称为（称为费米能级钉扎效应费米能级钉扎效应），而），而 变成与金属和半导变成与金属和半导体的功函数无关。体的功函数无关。现在学习的是第24页，共83页4.2 4.2
17、界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响 多数实用的肖特基势垒中，多数实用的肖特基势垒中，界面态界面态在决定在决定 数值数值当中处于当中处于支配支配地位，势垒高度基本上与两个功函数差地位，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。以及半导体中的掺杂度无关。实验观测到的势垒高度实验观测到的势垒高度,表表4-14-1,发现大多数半导体发现大多数半导体的能量的能量 在离开价带边在离开价带边 附近。附近。现在学习的是第25页，共83页4.2 4.2 界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响 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
18、导体上的肖特基势垒高度现在学习的是第26页，共83页4 4.3.3 镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响第四章第四章 金属金属-半导体结半导体结现在学习的是第27页，共83页4 4.3.3 镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响 一、镜像力降低肖特基势垒高度一、镜像力降低肖特基势垒高度（肖特基效应）（肖特基效应）镜象力引起电子电势能镜象力引起电子电势能 边界条件边界条件（4-8）（4-9）现在学习的是第28页，共83页4 4.3.3 镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响 原原来来理理想想肖肖特特基基势势垒垒近近似似看看成成线线性性,界界面面附附近近导导带带底底势势能能曲线
19、曲线 为为表表面面附附近近电电场场，等等于于势势垒垒区区最最大大电电场场（包包内内建建电电场场和和偏压电场）偏压电场）,总势能总势能（4-10）（4-11）图图4.5(c),原原来来理理想想肖肖特特基基势势垒垒电电子子能能量量在在 处处下下降降，也也就就是是使使肖肖特特基基势势垒垒高高度度下下降降。这这就就是是肖肖特特基基势势垒垒的的镜镜像像力力降降低低现象，又叫做肖特基效应。现象，又叫做肖特基效应。现在学习的是第29页，共83页 4 4.3.3 镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响 图图4-5 镜像力降低金属镜像力降低金属 半导体势垒半导体势垒 镜像力镜像力:半导体中金属表面半导体中
20、金属表面x x处的电子会在金属上感应出正电荷处的电子会在金属上感应出正电荷,这个正电荷称镜像电荷这个正电荷称镜像电荷,电子与感应正电荷间的静电引力叫做镜像电子与感应正电荷间的静电引力叫做镜像力力.现在学习的是第30页，共83页4 4.3.3 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 设势垒高度降低位置发生在设势垒高度降低位置发生在 处，势垒高度降低值处，势垒高度降低值（4-12）现在学习的是第31页，共83页4 4.3.3 镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响大电场下，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
21、降低很多.（4-13）现在学习的是第32页，共83页4 4.3.3 镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响 镜镜像像力力使使肖肖特特基基势势垒垒高高度度降降低低的的前前提提是是金金属属表表面面附近的半导体导带要有电子存在。附近的半导体导带要有电子存在。在在测测量量势势垒垒高高度度时时，如如果果测测量量方方法法与与电电子子在在金金属属和和半半导导体体间间的的输输运运有有关关，则则所所得得结结果果是是 ；如如果果测测量量方方法法只只与与耗耗尽尽层层的的空空间间电电荷荷有有关关而而不不涉涉及及电电子子的的输输运运（如如电电容容方方法法），则则测测量量结结果果不不受受镜镜像像力力影影响。响。现在
22、学习的是第33页，共83页4 4.3.3 镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响 空空穴穴也也产产生生镜镜像像力力，它它的的作作用用是是使使半半导导体体能能带带的的价价带带顶顶附附近近向向上上弯弯曲曲，图图4-64-6，但但它它不不象象导导带带底底那那样样有有极极值值，结结果果使使接接触触处处能能带带变变窄。窄。现在学习的是第34页，共83页4 4.3.3 镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响 小结小结1.1.镜像力使理想肖特基势垒的电子能量下降，也就是使肖特基势垒镜像力使理想肖特基势垒的电子能量下降，也就是使肖特基势垒高度下降。这种效应叫做肖特基效应。高度下降。这种效应叫做肖特
23、基效应。2.2.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线性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线性3.3.据总能量和图据总能量和图4.5c4.5c解释了肖特基效应。解释了肖特基效应。4.4.肖特基势垒的降低值和总能量最大值发生的位置肖特基势垒的降低值和总能量最大值发生的位置现在学习的是第35页，共83页4 4.3.3 镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响教学要求教学要求什么是肖特基效应？解释肖特基效应的物理机制。什么是肖特基效应？解释肖特基效应的物理机制。根据总能量公式和图根据总能量公式和图4.54.5c c解释肖特基效应。解释肖特基效应。计算肖特基势垒的
24、降低和总能量最大值发生的位置。计算肖特基势垒的降低和总能量最大值发生的位置。v作业：作业：4.84.8、4.94.9现在学习的是第36页，共83页4.44.4肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性第四章第四章 金属金属-半导体结半导体结现在学习的是第37页，共83页4.44.4肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性p热电子和热载流子二极管热电子和热载流子二极管 电子来到势垒顶向金属发射时，能量比金属电子来到势垒顶向金属发射时，能量比金属电子高出约电子高出约 。进入金属之后。进入金属之后,在金属中碰撞在金属中碰撞以给出多余能量之前，由于它们的等效温度高于以给出
25、多余能量之前，由于它们的等效温度高于金属中电子，因而把这些电子看成热的。金属中电子，因而把这些电子看成热的。肖特基势垒二极管有时称热载流子二极管。肖特基势垒二极管有时称热载流子二极管。这些载流子在很短的时间内就会和金属电子达到这些载流子在很短的时间内就会和金属电子达到平衡，时间一般小于平衡，时间一般小于 .现在学习的是第38页，共83页4.44.4肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性一、空间电荷区中载流子浓度的变化一、空间电荷区中载流子浓度的变化 非简并情况，导带电子浓度和价带空穴浓度非简并情况，导带电子浓度和价带空穴浓度（4-14）半导体内热平衡时内部载流子浓度半导体内热
26、平衡时内部载流子浓度（4-15）现在学习的是第39页，共83页4.44.4肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性表面空间电荷区内，本征费米能级表面空间电荷区内，本征费米能级空间电荷区中载流子浓度空间电荷区中载流子浓度半导体与金属界面处半导体与金属界面处（4-16）（4-17）（4-18）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（4-20）（4-19）现在学习的是第40页，共83页4.44.4肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性（4-21）（4-22）外加电压时外加电压时 （4-23）二、电流电压特性二、电流电压特性李查德李查德-杜师曼（
27、杜师曼（Richardson-dushmanRichardson-dushman）方程方程（4-20）现在学习的是第41页，共83页4.44.4肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性p单位时间入射到单位面积上的电子数即进入金属电子数单位时间入射到单位面积上的电子数即进入金属电子数p电子从半导体越过势垒向金属发射所形成的电流密度电子从半导体越过势垒向金属发射所形成的电流密度p同时电子从金属向半导体中发射的电流密度同时电子从金属向半导体中发射的电流密度（4-24）（4-25）热电子平均热运动速度热电子平均热运动速度 为电子有效质量为电子有效质量现在学习的是第42页，共83页4.4
28、4.4肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性p总电流密度总电流密度 导带有效状态密度导带有效状态密度 p热电子发射理论的电流热电子发射理论的电流电压关系电压关系 （4-27）（4-26）（4-28）现在学习的是第43页，共83页4.44.4肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性p有效里查森常数有效里查森常数 电电子子向向真真空空中中发发射射时时的的里里查查森森常常数数，用用半半导导体体电电子子的的有有效质量代替自由电子质量而得到。效质量代替自由电子质量而得到。单单位位为为 ，数数值值依依赖赖于于有有效效质质量量，N N型型硅硅和和P P型型硅硅，分分别别为为
29、110110和和3232；N N型和型和P P型型 ，分别为，分别为8 8和和7474。（4-29）（4-30）现在学习的是第44页，共83页4.44.4肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性p反反向向偏偏压压，将将（4-244-24）式式中中的的 换换成成 即即可可得得到到反反向向偏偏压压下的电流下的电流电压关系。电压关系。p正反两种偏压下的电流正反两种偏压下的电流电压关系可以统一式电压关系可以统一式 n n称称为为理理想想化化因因子子，它它是是由由非非理理想想效效应应引引起起。对对于于理理想想的的肖肖特特基基势势垒二极管，垒二极管，p两种肖特基二极管的实验电流两种肖特基二
30、极管的实验电流电压特性示于图电压特性示于图4-74-7。（4-31）（4-32）现在学习的是第45页，共83页4.44.4肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性图4.7 和和 肖肖脱脱基二基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现在学习的是第46页，共83页4.44.4肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性 正正向向 曲曲线线延延伸伸至至 ，可可以以求求出出参参数数 ，可可以以用用它它和（和（4-284-28)式一起来求出势垒高度。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。对于理想化因子可由半对数曲线的斜率计算
31、出来。对于SiSi二极管得到二极管得到 ，二极管二极管n=1.04n=1.04。（4-274-27）式式较较好好地地适适于于 ,和和 等等常常用用半半导导体体材材料料作作成成的的肖特基势垒。肖特基势垒。以以上上分分析析说说明明，肖肖特特基基势势垒垒电电流流基基本本上上是是由由多多子子传传导导的的，是是一一种种多子器件多子器件。现在学习的是第47页，共83页4.44.4肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性 值值得得指指出出，据据（4-284-28），反反向向电电流流应应为为常常数数，这这与与实实验验数数据据出出现现偏偏差差。原原因因之之一一镜镜像像力力作作用用。把把 换成换成
32、 ，则饱和电流改为，则饱和电流改为 实实验验发发现现，用用上上述述方方程程来来描描述述肖肖特特基基势势垒垒二二极极管管的的电电流流电电压压特特性性更更为为精精确确，特特别别是是对对反反向向偏偏压压情况的描述。情况的描述。（4-334-33）现在学习的是第48页，共83页4.44.4肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性三、少数载流子电流三、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。态而形成的。（4
33、-34）（4-35）硅这样的共价键半导体中硅这样的共价键半导体中 要比要比 小的多，结果是热电子小的多，结果是热电子发射电流通常远远大于少数载流子电流发射电流通常远远大于少数载流子电流.现在学习的是第49页，共83页4.44.4肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性例例：一个肖特基势垒二极管，：一个肖特基势垒二极管，计算势垒高度和耗尽层宽，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度。比较多数载流子电流和少数载流子电流.解：图解：图4-74-7得得 现在学习的是第50页，共83页4.44.4肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性现在学习的是
34、第51页，共83页4.44.4肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性 小结小结 1.1.表表面面空空间间电电荷荷区区内内载载流流子子浓浓度度表表达达式式和和半半导导体体表表面面载载流流子子浓度表达式浓度表达式（4-17）（4-19）（4-18）（4-20）现在学习的是第52页，共83页4.44.4肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性 小结小结2.2.根据气体动力论给出了从半导体进入金属的电子流密度根据气体动力论给出了从半导体进入金属的电子流密度 3.3.电流电压特性电流电压特性李查德杜师曼（李查德杜师曼（Richardson-dushmanRichards
35、on-dushman）方程方程4.4.金属进入到半导体的少子空穴扩散电流可以忽略。金属进入到半导体的少子空穴扩散电流可以忽略。（4-32）（4-31）现在学习的是第53页，共83页4.44.4肖特基势垒二极管电流电压特性肖特基势垒二极管电流电压特性教学要求教学要求掌掌握握概概念念：表表面面势势、热热电电子子、热热载载流流子子二二极极管管、里里查查森森常常数数、有效里查森常数有效里查森常数导导出出表表面面空空间间电电荷荷区区内内载载流流子子浓浓度度表表达达式式和和半半导导体体表表面面载载流流子子浓浓度度表表达式达式导导出出电电流流电电压压特特性性李李查查德德杜杜师师曼曼（Richardson-d
36、ushmanRichardson-dushman）方程方程结合例题，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。v作业：作业：4.54.5、4.64.6、4.74.7、4.10 4.10 现在学习的是第54页，共83页4.54.5肖特基势垒二极管结构肖特基势垒二极管结构第四章第四章 金属金属-半导体结半导体结现在学习的是第55页，共83页4.54.5肖特基势垒二极管结构肖特基势垒二极管结构 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。现在学习的是第56
37、页，共83页4.54.5肖特基势垒二极管结构肖特基势垒二极管结构图图4-8 肖特基二极管结构肖特基二极管结构p（a a）简单接触简单接触 N+Si衬底衬底,N,N型外延薄膜型外延薄膜,清洁处理氧化清洁处理氧化,光光刻开窗口刻开窗口,真空系统中蒸发或贱射以淀积金属真空系统中蒸发或贱射以淀积金属,光光刻金属图形刻金属图形.由于陡峭的边沿及由于陡峭的边沿及Si-SiO2Si-SiO2界面存在正的固界面存在正的固定电荷定电荷,使这种使这种简单结构不能提供良好的肖特基势垒简单结构不能提供良好的肖特基势垒特性特性这些因素使得在靠近周边的半导体耗尽区建立这些因素使得在靠近周边的半导体耗尽区建立强电场，导致在
38、拐角处有过量的电流这重强电场，导致在拐角处有过量的电流这重拐角拐角效应效应除了产生除了产生软的反向特性和低击穿电压软的反向特性和低击穿电压外，还外，还造成造成低劣的噪声特性低劣的噪声特性现在学习的是第57页，共83页4.54.5肖特基势垒二极管结构肖特基势垒二极管结构图图4-8 肖特基二极管结构肖特基二极管结构p（b b）采用金属搭接采用金属搭接 使金属搭接在氧化层上可消除周使金属搭接在氧化层上可消除周边效应这时边效应这时电容下边的耗电容下边的耗尽区得到修整尽区得到修整,引起软击穿的陡沿被引起软击穿的陡沿被消除消除.搭接区应当很小搭接区应当很小,不然附加的电不然附加的电容会降低二极管高频特性容
39、会降低二极管高频特性.现在学习的是第58页，共83页4.54.5肖特基势垒二极管结构肖特基势垒二极管结构图图4-8 实用的肖特基二极管结构实用的肖特基二极管结构p（C C）采用保护环二极管采用保护环二极管 为了得到理想的电流电压特性为了得到理想的电流电压特性,采采用附加的用附加的P P+扩散环扩散环,来降低边缘效应来降低边缘效应.由于搭接结构较为简单由于搭接结构较为简单,通常在通常在集成电路中采用它更为合适集成电路中采用它更为合适.现在学习的是第59页，共83页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第四章第四章 金属金属-半导体结半导体结现在学习的是第60
40、页，共83页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图图4-9 MIS结构的能带图结构的能带图 p实际中实际中,当金属被蒸发当金属被蒸发到化学制备的硅到化学制备的硅表面时表面时,在金属和半导在金属和半导体之间的界面上总有一体之间的界面上总有一层氧化层层氧化层,氧化层很薄氧化层很薄,一般为一般为0.50.5到到1.5nm.1.5nm.p在热平衡时在热平衡时,有一个有一个电位降跨越在氧化层电位降跨越在氧化层上上,使得势垒高度被改使得势垒高度被改变变.现在学习的是第61页，共83页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p传导电流是由载
41、流子隧道穿透氧化层所形成传导电流是由载流子隧道穿透氧化层所形成 从导带边缘算起的平均势垒高度，单位电子伏特。从导带边缘算起的平均势垒高度，单位电子伏特。氧化氧化层层厚度，厚度，单单位埃。位埃。乘乘积积无量无量纲纲，一般情况，若外加电压不变，一般情况，若外加电压不变，薄氧化层薄氧化层只减少多数载流子电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增长。结果数载流子电流的比率的增长。结果增加少数载流子的注入比增加少数载流子的注入比，这有利于改善诸如太阳电池和发光二极这有利于改善诸如太阳电池和发光二极管等
42、器件管等器件的性能。的性能。（4-36）现在学习的是第62页，共83页4.7 4.7 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第四章第四章 金属金属-半导体结半导体结现在学习的是第63页，共83页4.7 4.7 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p 肖特基势垒二极管是肖特基势垒二极管是多子器件多子器件 P-N P-N结二极管是结二极管是少子器件少子器件（1 1）在在肖肖特特基基势势垒垒中中，由由于于没没有有少少数数载载流流子子贮贮存存，因因此此肖肖特特基基势势垒垒二二极管适于高频和快速开关的应用。极
43、管适于高频和快速开关的应用。（2 2）肖肖特特基基势势垒垒上上正正向向电电压压降降要要比比P-NP-N结结上上低低得得多多。低低导导通通电电压压使使肖肖特基二极管对于钳位和限辐的应用具有吸引力。特基二极管对于钳位和限辐的应用具有吸引力。（3 3）肖特基势垒的）肖特基势垒的温度特性温度特性优于优于P-NP-N结。结。（4 4）噪声特性噪声特性优于优于P-NP-N结。结。（5 5）肖特基势垒二极管制造）肖特基势垒二极管制造工艺简单工艺简单。现在学习的是第64页，共83页4.7 4.7 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现在学习的是第65页，共83页
44、4.7 4.7 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现在学习的是第66页，共83页4.7 4.7 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 小结小结1.1.肖特基势垒二极管是多子器件，与肖特基势垒二极管是多子器件，与P-NP-N结二极管结二极管相比具有高频、高速，低接通电压，低温度系数相比具有高频、高速，低接通电压，低温度系数和低噪声的特点和低噪声的特点 2.2.肖特基势垒二极管制造工艺比肖特基势垒二极管制造工艺比P-NP-N结二极管制造结二极管制造工艺简单得多。工艺简单得多。现在学习的是第67页，共8
45、3页4.7 4.7 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 教学要求教学要求了了解解与与结结型型二二极极管管相相比比肖肖特特基基势势垒垒二二极极管管的的主主要要特点。特点。作业作业4.10 4.10 现在学习的是第68页，共83页4.84.8肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用第四章第四章 金属金属-半导体结半导体结现在学习的是第69页，共83页4.84.8肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用一、一、肖特基势垒检波器或混频器肖特基势垒检波器或混频器肖特基二极管的等效电路肖特基二极管的等效电路 结电容结电容 C Cd d串联电阻串联电
46、阻 r rs s 二极管结电阻二极管结电阻（扩散电阻）（扩散电阻）p有效的检波器或混频器要求有效的检波器或混频器要求射频功率为二极管结电阻所射频功率为二极管结电阻所吸收吸收,且在串联电阻上功率耗且在串联电阻上功率耗散要小散要小.现在学习的是第70页，共83页4.84.8肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用一、一、肖特基势垒检波器或混频器肖特基势垒检波器或混频器 串联电阻功率耗散和在结上相等串联电阻功率耗散和在结上相等 截止频率截止频率 高频运用，高频运用，、和和 都应很小。如果半导体具有高杂质浓都应很小。如果半导体具有高杂质浓度和高迁移率，能够实现小的度和高迁移率，能够实现小的 。采用
47、。采用 材料，工作频率接材料，工作频率接近近 是有可能的。是有可能的。（4-39）现在学习的是第71页，共83页4.84.8肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用二、肖特基势垒钳位晶体管二、肖特基势垒钳位晶体管 现在学习的是第72页，共83页4.84.8肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用p肖特基势垒钳位晶体管肖特基势垒钳位晶体管 开开关关晶晶体体管管饱饱和和时时，集集电电结结正正向向偏偏置置约约0.50.5V V。若若肖肖特特基基二二极极管管上上的的正正向向压压降降（一一般般为为0.30.3V V）低低于于晶晶体体管管基基极极 集集电电极极的的开开态态电电压压，则则大大部部分分
48、过过量量基基极极电电流流流流过过二二极极管管，该该二二极极管管没没有有少少数数载载流流子子贮贮存存效效应应。因因此此，与与单单独独的的晶晶体体管管相相比比较较，合合成成器器件件的的贮贮存存时时间间得得到到显显著著的的降降低低。测测得得的的贮贮存存时时间可以低于间可以低于1 1nsns。现在学习的是第73页，共83页4.84.8肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用p肖特基势垒钳位晶体管肖特基势垒钳位晶体管 肖肖特特基基势势垒垒钳钳位位晶晶体体管管是是按按示示于于图图4-134-13b b的的结结构以集成电路的形式实现的。构以集成电路的形式实现的。铝铝在在轻轻掺掺杂杂的的N N型型集集电电
49、区区上上能能形形成成极极好好的的肖肖特特基基势势垒垒，并并同同时时在在重重掺掺杂杂的的P P型型基基区区上上面面形形成成优优良良的的欧欧姆姆接接触触。这这两两种种接接触触可可以以只只通通过过一一步步金金属属化化作成，无需额外的工艺。作成，无需额外的工艺。现在学习的是第74页，共83页4.84.8肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用小结小结1.1.肖特基势垒二极管等效电路。肖特基势垒二极管等效电路。2.2.由由于于肖肖特特基基势势垒垒二二极极管管具具有有高高频频、高高速速优优点点，它它们们被被应应用用于于肖肖特特基势垒检波器或混频器和肖特基势垒钳位晶体管。基势垒检波器或混频器和肖特基势垒
50、钳位晶体管。3.3.肖肖特特基基势势垒垒检检波波器器的的截截止止频频率率定定义义：随随频频率率升升高高在在 上上的的功功率率耗耗散散将将增增加加，当当在在 上上功功率率耗耗散散和和在在结结上上的的相相等等时时频频率率定定义义为截止频率。为截止频率。4.4.肖特基势垒钳位晶体管的电路图、集成结构示意图。肖特基势垒钳位晶体管的电路图、集成结构示意图。5.5.肖特基势垒钳位晶体管的工作原理。肖特基势垒钳位晶体管的工作原理。现在学习的是第75页，共83页4.84.8肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用 教学要求教学要求 画肖特基势垒二极管等效电路，各参数所代表的意义。画肖特基势垒二极管等效电路