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1、半导体器件原理第三章第一页，讲稿共五十八页哦第三章：金属半导体和半导体异质结第三章：金属半导体和半导体异质结 3.1 肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管3.2 金属金属半导体的欧姆接触半导体的欧姆接触3.3 异质结异质结3.4 小结小结2第二页，讲稿共五十八页哦能带图能带图:功函数，功函数，单位位为伏特。从伏特。从费米能米能级将一个将一个电子移到子移到刚巧在巧在该种材料之外的一个位置（真空能种材料之外的一个位置（真空能级）所需的能量。）所需的能量。：电子子亲和能，和能，单位伏特。从位伏特。从导带底底将一个将一个电子移到子移到刚巧巧该种材料之外的一个位置（真空能种材料之外的一个位置（真空能级）所需
2、的能量。）所需的能量。参数参数符号符号金属功函数金属功函数半导体功函数半导体功函数电子亲和能电子亲和能肖特基势垒肖特基势垒内建电势差内建电势差真空能级真空能级EcEFEFiEvEF金属的功函数和半导体的电子亲和能都是材料金属的功函数和半导体的电子亲和能都是材料金属的功函数和半导体的电子亲和能都是材料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本身的本征参数，它们都反映了材料中能级相本身的本征参数，它们都反映了材料中能级相本身的本征参数，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。对于真空电子能级的相对位置。对于真空电子能级的相对位置。对于真空电子能级
3、的相对位置。第三页，讲稿共五十八页哦部分金属和半导体的参数部分金属和半导体的参数元素元素功函数，功函数，mAg4.26Al4.28Au5.1Cr4.5Mo4.6Ni5.15Pd5.12Pt5.65Ti4.33W4.55元素元素电子亲和能，电子亲和能，Ge4.13Si4.01GaAs4.07AlAs2.5第四页，讲稿共五十八页哦3.1肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管肖特基二极管是以其发明人肖特基二极管是以其发明人华特华特 肖特基博士肖特基博士（Walter Hermann Schottky，1886年年7月月23日日1976年年3月月4日）命名的，日）命名的，SBD是肖特是肖特基势垒二极管（基势
4、垒二极管（Schottky Barrier Diode,缩写成缩写成SBD）的简称。）的简称。SBD不是利用不是利用P型半导体与型半导体与N型半导体接触形成型半导体接触形成PN结原理制作的，结原理制作的，而是利用而是利用金属与半导体整流接触金属与半导体整流接触形成的金属半导体结原理制作形成的金属半导体结原理制作的。因此，的。因此，SBD也称为金属半导体（接触）二极管或表面势也称为金属半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管。垒二极管，它是一种热载流子二极管。肖特基二极管是近年来问世的肖特基二极管是近年来问世的低功耗低功耗、大电流大电流、超高速超高速半导体器半导体器件。其反向
5、恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右，而整流电流却可达到几千毫安。这些优良特性是快恢复二极管左右，而整流电流却可达到几千毫安。这些优良特性是快恢复二极管（简称（简称FRD）所无法比拟的。）所无法比拟的。5第五页，讲稿共五十八页哦全球知名半导体制造商全球知名半导体制造商ROHM开发开发出非常适用于服务器和高端计算机等出非常适用于服务器和高端计算机等的电源的电源PFC电路的、第电路的、第3代代SiC（SiliconCarbide:碳化硅）肖特基势碳化硅）肖特基势垒二极管垒二极管最低正向电压最低正向电压VF=1.35V、2
6、5近年来，在太阳能发电系统、工业用各种电源近年来，在太阳能发电系统、工业用各种电源装置、电动汽车及家电等电力电子领域，为提装置、电动汽车及家电等电力电子领域，为提高功率转换效率以实现进一步节能，更高效率高功率转换效率以实现进一步节能，更高效率的功率元器件产品备受期待。的功率元器件产品备受期待。SiC器件与以往的器件与以往的Si器件相比，具有优异的材料特性，在这器件相比，具有优异的材料特性，在这些领域中的应用日益广泛。尤其是在服务些领域中的应用日益广泛。尤其是在服务器等这类要求更高电源效率的设备电源中，器等这类要求更高电源效率的设备电源中，SiC-SBD产品因其快速恢复特性可有效提高效率而产品因
7、其快速恢复特性可有效提高效率而被用于被用于PFC电路来提高设备效率。电路来提高设备效率。第六页，讲稿共五十八页哦3.1肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管接触前：半导体费米能级高接触前：半导体费米能级高于金属，半导体中的电子流于金属，半导体中的电子流向比它能级低的金属中，而向比它能级低的金属中，而带正电的空穴仍留在半导体带正电的空穴仍留在半导体中，从而形成一个空间电荷中，从而形成一个空间电荷区（耗尽层）。区（耗尽层）。半导体导带中得电子向金属中移半导体导带中得电子向金属中移动存在势垒动存在势垒Vbi，就是半导体的，就是半导体的内内建电势差建电势差：7理想肖特基势理想肖特基势理想肖特基势理想肖特基势
8、垒：带边相对垒：带边相对垒：带边相对垒：带边相对于参考能级于参考能级于参考能级于参考能级(真空电子能真空电子能真空电子能真空电子能级级级级)位置不变位置不变位置不变位置不变考虑金属与考虑金属与n型半导体接触型半导体接触参数参数B0是半是半导体接触的理想体接触的理想势垒高度（高度（肖特基肖特基势垒）：）：ms第七页，讲稿共五十八页哦外加电压后，金属和半导体的费米能级不再相同，二者之差等外加电压后，金属和半导体的费米能级不再相同，二者之差等于外加电压引起的电势能之差于外加电压引起的电势能之差反偏情况下反偏情况下，半导体，半导体-金属势垒高度增大，金属一边的势垒不随外加金属势垒高度增大，金属一边的势
9、垒不随外加电压而改变，即：电压而改变，即：B0不不变变。反偏反偏势垒变势垒变高高为为：Vbi+VR半半导导体一体一边边，加正偏加正偏，势垒势垒降低降低为为Vbi-Va。B0仍然不仍然不变变。肖特基势垒的能带图肖特基势垒的能带图（a）未加偏压未加偏压（b）加正向偏压加正向偏压（c）加反向偏压加反向偏压可以看到在偏压下，肖特基结的势垒高度变化情况可以看到在偏压下，肖特基结的势垒高度变化情况可以看到在偏压下，肖特基结的势垒高度变化情况可以看到在偏压下，肖特基结的势垒高度变化情况与与与与pnpn结类似结类似结类似结类似第八页，讲稿共五十八页哦 MS，整流接触，整流接触正正偏偏：半半导导体体势势垒垒高高
10、度度变变低低，电电子子从从S注注入入M，形形成成净净电电流流I，I随随VA的增加而增加。的增加而增加。反反偏偏：势势垒垒升升高高，阻阻止止电电子子从从半半导导体体向向金金属属流流动动，金金属属中中的的一一些些电电子能越子能越过势垒过势垒向半向半导导体运体运动动，但，但这这一反向一反向电电流很小。流很小。结结论论：MS时时，理理想想的的MS接接触触类类似似于于pn结结二二极极管管，具具有整流特性有整流特性。肖特基二极管：正偏时，半肖特基二极管：正偏时，半导体中电子形成的势垒减小，导体中电子形成的势垒减小，作为多子的电子更容易从半作为多子的电子更容易从半导体流向金属。导体流向金属。第九页，讲稿共五
11、十八页哦理想结特性理想结特性用与处理用与处理pn结类似的方法来确定肖特基结的静电特性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假定半导体掺杂均匀空间电荷密度空间电荷密度空间电荷密度空间电荷密度半导体介电常数半导体介电常数半导体介电常数半导体介电常数边界条件：边界条件：边界条件：边界条件：x=xx=xn n时，时，时，时，E=0E=0第十页，讲稿共五十八页哦空间电荷区宽度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在突变结近似的条件下求出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在突变结近似的条件下求出空间电荷区宽度若在整个耗尽区内为若在整个耗尽区内为Nd常数，做常
12、数，做V关系应该为直线。关系应该为直线。单位面积的单位面积的耗尽层电容耗尽层电容第十一页，讲稿共五十八页哦解解 Ge电子亲和势为：=4.13 eV，耗尽区宽度为：例例 受主浓度为Na=1017 cm-3 的p型Ge，室温下的功函数是多少？若不考虑界面态的影响，它与Al接触时形成整流接触还是欧姆接触？如果是整流接触，求其肖特基势垒的高度。第十二页，讲稿共五十八页哦肖特基模型预言的势垒高度很难在实验中观察到肖特基模型预言的势垒高度很难在实验中观察到,实测的实测的势垒高度和理想条件存在偏差势垒高度和理想条件存在偏差.原因原因:1)不可避免的界面层不可避免的界面层02)界面态的存在界面态的存在3)镜像
13、力的作用镜像力的作用3.1肖特基势垒二极管第十三页，讲稿共五十八页哦3.1肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管1.镜像力对势垒高度的影响（肖特基效应）镜像力对势垒高度的影响（肖特基效应）2.界面态的影响界面态的影响14影响肖特基势垒高度的非理想因素影响肖特基势垒高度的非理想因素第十四页，讲稿共五十八页哦3.1肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 非理想因素非理想因素镜像电荷镜像电荷电子电子一、镜像力对势垒高度的影响一、镜像力对势垒高度的影响在金属在金属-真空系统中，一个在金属外面的电子，要在金属表面感应出真空系统中，一个在金属外面的电子，要在金属表面感应出正电荷，同时电子要受到正电荷的吸引；正电荷，同
14、时电子要受到正电荷的吸引；镜像力和镜像电荷镜像力和镜像电荷：若电子距离金属表面的距离为若电子距离金属表面的距离为x，则电子与感，则电子与感应正电荷之间的吸引力相对于位于（应正电荷之间的吸引力相对于位于（-x）处时的等量正电荷之间的吸）处时的等量正电荷之间的吸引力。引力。正电荷叫镜像电荷，吸引力叫镜像引力。正电荷叫镜像电荷，吸引力叫镜像引力。第十五页，讲稿共五十八页哦金属金属-真空系统真空系统金属功函数为金属功函数为qm，当金，当金属表面加电场时，有效功函属表面加电场时，有效功函数数(或势垒或势垒)降低。这种降低降低。这种降低来自电场和镜象力的联合来自电场和镜象力的联合效应。效应。1.无电场时，
15、将金属中的电子移到真空，需要能量无电场时，将金属中的电子移到真空，需要能量qm。2.以金属表面为势能零点。以金属表面为势能零点。3.有外加电场，不考虑镜像力，真空中的电子的电势能随着离开有外加电场，不考虑镜像力，真空中的电子的电势能随着离开金属表面的距离增加，按照金属表面的距离增加，按照-q|E|x降低。降低。4.若考虑到真空中电子在金属表面感生的正电荷，有镜像力和若考虑到真空中电子在金属表面感生的正电荷，有镜像力和镜像势能存在。镜像势能存在。5.结果，电子的能量由电场力和镜像力联合作用，使有效功函结果，电子的能量由电场力和镜像力联合作用，使有效功函数降低。数降低。在金属表面和真空之在金属表面
16、和真空之间的能带图。间的能带图。第十六页，讲稿共五十八页哦真空中一个电子与金属相距真空中一个电子与金属相距x，在金属表面感生正电荷，电子，在金属表面感生正电荷，电子与感生电荷之间的吸引力（镜像力）与感生电荷之间的吸引力（镜像力）将一个电子从无穷远移到将一个电子从无穷远移到x点过程中所作的功：点过程中所作的功：相当于距金属表面相当于距金属表面x处的一个电子势能。处的一个电子势能。第十七页，讲稿共五十八页哦电势表达式：电势表达式：半导体中存在内建电场和内建电势，总电势半导体中存在内建电场和内建电势，总电势电势能为：电势能为：第十八页，讲稿共五十八页哦肖特基效应：肖特基效应：势垒的镜像势垒的镜像力降
17、低力降低19在无穷远处电势为在无穷远处电势为在无穷远处电势为在无穷远处电势为0 0在电介质中距离在电介质中距离在电介质中距离在电介质中距离x x处的电子能够形成电场，电处的电子能够形成电场，电处的电子能够形成电场，电处的电子能够形成电场，电场线与金属表面必须垂直，与另一个置于与场线与金属表面必须垂直，与另一个置于与场线与金属表面必须垂直，与另一个置于与场线与金属表面必须垂直，与另一个置于与金属表面同样距离的假想电荷（金属表面同样距离的假想电荷（金属表面同样距离的假想电荷（金属表面同样距离的假想电荷（+e+e）形成的）形成的）形成的）形成的电场线相同电场线相同电场线相同电场线相同假设不存在电场时
18、假设不存在电场时假设不存在电场时假设不存在电场时的电势能曲线。的电势能曲线。的电势能曲线。的电势能曲线。在恒定电场影响下，在恒定电场影响下，在恒定电场影响下，在恒定电场影响下，电子的势能曲线电子的势能曲线电子的势能曲线电子的势能曲线第十九页，讲稿共五十八页哦镜像力的势能将叠加到理想肖特基势垒上，势能在镜像力的势能将叠加到理想肖特基势垒上，势能在x=xm处出处出现最大值，【镜像力和电场力平衡的地方】，说明现最大值，【镜像力和电场力平衡的地方】，说明镜像镜像力使肖特基势垒顶向内移动，并且引起势垒高度降低力使肖特基势垒顶向内移动，并且引起势垒高度降低，这就是肖特基势垒的镜像力降低现象，又叫做这就是肖
19、特基势垒的镜像力降低现象，又叫做肖特基效应肖特基效应。第二十页，讲稿共五十八页哦镜像力使实际的势垒高度降低，可求出势垒的最大高度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和对应的xm势垒高度的变化量非常小，但从后边可以看到，势垒高度势垒高度的变化量非常小，但从后边可以看到，势垒高度势垒高度的变化量非常小，但从后边可以看到，势垒高度势垒高度的变化量非常小，但从后边可以看到，势垒高度和电流和电流和电流和电流-电压关系呈指数关系变化，因而微小的势垒高度电压关系呈指数关系变化，因而微小的势垒高度电压关系呈指数关系变化，因而微小的势垒高度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
20、致明显的电流变化变化将会导致明显的电流变化变化将会导致明显的电流变化变化将会导致明显的电流变化3.1肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 非理想因素非理想因素在高电场下，肖特在高电场下，肖特基势垒大大降低。基势垒大大降低。第二十一页，讲稿共五十八页哦3.1肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 非理想因素非理想因素二、界面态对势垒高度的影响二、界面态对势垒高度的影响 实验发现，很多半导体在与金属形成金实验发现，很多半导体在与金属形成金-半接触时，半接触时，半导体中的半导体中的势垒高度几乎与所用金属无关势垒高度几乎与所用金属无关，只与半导体有关只与半导体有关，几乎是常数。几乎是常数。p理想理想MS接触认为
21、接触势垒仅由接触认为接触势垒仅由金属的功函数决定金属的功函数决定，实际上，实际上半导体表面存在的半导体表面存在的表面态表面态对接触势垒有较大影响。对接触势垒有较大影响。p表面态位于禁带中，对应的能级称为表面能级，表面态分表面态位于禁带中，对应的能级称为表面能级，表面态分为为施主型施主型和和受主型受主型两类。两类。若能级被电子占据时呈电中性，释放电子后呈正电，称为施主型若能级被电子占据时呈电中性，释放电子后呈正电，称为施主型表面态。表面态。若能级空着时呈电中性，而接受电子后呈负电，称为受主型表若能级空着时呈电中性，而接受电子后呈负电，称为受主型表面态。面态。第二十二页，讲稿共五十八页哦3.1肖特
22、基势垒二极管肖特基势垒二极管 非理想因素非理想因素界面态的影界面态的影响响施主型施主型表面态：能级表面态：能级释放电子后显正电性。释放电子后显正电性。受主型受主型表面态：能级表面态：能级接受电子后显负电接受电子后显负电性。性。23表面态的电中性能级表面态的电中性能级表面态的电中性能级表面态的电中性能级第二十三页，讲稿共五十八页哦电中性条件电中性条件当表面态有当表面态有净的正电荷净的正电荷存在时，造成半导体内存在时，造成半导体内正施主电正施主电荷量减少荷量减少，从而使得空间电荷区，从而使得空间电荷区缩短缩短，势垒，势垒降低降低；当表面态有当表面态有净的负电荷净的负电荷存在时，造成半导体内存在时，
23、造成半导体内正施主电正施主电荷量增多荷量增多，从而使得空间电荷区，从而使得空间电荷区加宽加宽，势垒，势垒增高增高；实际肖特基势垒高度是电场强度和表面态的函数。由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于表面态密度无法预知，所以势垒高度是一个经验值3.1肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 非理想因素非理想因素第二十四页，讲稿共五十八页哦与与pn结不同，主要靠多数载流子的运动来决定电流的情况。结不同，主要靠多数载流子的运动来决定电流的情况。电流电流-电压关系电压关系25电流输运过程电流输运过程正偏电压下的五种基本输运过程正偏电压下的五种基本输运过程
24、1.从半导体从半导体金属，越过势垒金属，越过势垒（中（中等掺杂，中等温度主要过程）等掺杂，中等温度主要过程）2.穿过势垒，量子隧穿穿过势垒，量子隧穿（重掺杂，（重掺杂，低温，主要针对欧姆接触低温，主要针对欧姆接触3.在空间电荷区扩散在空间电荷区扩散4.在耗尽区内电子扩散在耗尽区内电子扩散5.空穴从金属注入并扩散到半导体空穴从金属注入并扩散到半导体（相当于中性区的复合）（相当于中性区的复合）其它：其它：边缘漏电流，界面电流边缘漏电流，界面电流第二十五页，讲稿共五十八页哦1、从半导体、从半导体金属，越过势垒金属，越过势垒高迁移率半导体高迁移率半导体热发射理论热发射理论低迁移率半导体低迁移率半导体扩
25、散理论扩散理论二者综合：广义的热电子扩散理论二者综合：广义的热电子扩散理论两个过程：两个过程：电子扩散漂移通过耗尽层，再从半导体向金属发射电子扩散漂移通过耗尽层，再从半导体向金属发射第二十六页，讲稿共五十八页哦热电子发射电流热电子发射电流当载流子迁移率较高，相应的当载流子迁移率较高，相应的平均自由程平均自由程ln很大，以至很大，以至于远远大于于远远大于势垒区厚度势垒区厚度xD时时(ln xD)适用于此理论。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势垒顶点的高度半导体体内的电子只要有足够的能半导体体内的电子只要有
26、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；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；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所以电流的计算就归纳为计算超越势垒的载流子数目超越势垒的载流子数目，这就是这就是热电子发射理论。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。显然，热电子发射电流与体内电子的能量分布有关。3.1肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 电流电压关系电流电压关系1)热电子发射理论热电子发射理论(Bethe提出提出,通常的高迁移率半导体通常的高迁移率半导体,S
27、i,GaAs)第二十七页，讲稿共五十八页哦3.1肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 电流电压关系电流电压关系电流流过热电子发射过程的输运电流流过热电子发射过程的输运第二十八页，讲稿共五十八页哦电子由电子由半导体流向金属半导体流向金属所引起的电流密度可表示为：所引起的电流密度可表示为：其中其中Ec是通过热电子发射至金属所需的最小能量，是通过热电子发射至金属所需的最小能量，vx是是载流子沿着电流输运方向的速度；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：满足热电子发射条件的电子浓度的微分值为：其中其中N(E)为导带的态密度，为导带的态密度，F(E)为费米狄拉克概率分为费米狄
28、拉克概率分布函数布函数3.1肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 电流电压关系电流电压关系第二十九页，讲稿共五十八页哦假设仍然满足麦克斯韦玻尔兹曼近似条件，则有：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假设半导体材料中电子的能量高于Ec部分均为电子的部分均为电子的动能，则有：动能，则有：从半导体向金属的净电流密度为从半导体向金属的净电流密度为3.1肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 电流电压关系电流电压关系第三十页，讲稿共五十八页哦其中其中A*为有效理查德森常数为有效理查德森常数正偏条件下金属半导体正偏条件下金属半导体之间形成肖特基结的能带之间形成肖特基结的能带图及
29、其电路符号图及其电路符号3.1肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 电流电压关系电流电压关系第三十一页，讲稿共五十八页哦流过肖特基结的总电流可表示为电子由半导体流入金属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中所引起的电流Js mJs m与电子由金属流入半导体中所引起的电与电子由金属流入半导体中所引起的电流流Jm sJm s之差，即：之差，即：由热平衡总电流为零知：由热平衡总电流为零知：第三十二页，讲稿共五十八页哦电流的正方向定义电流的正方向定义ms，因此可得：，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：上述方程也可表示为通常二极管电流方程形式，即：和和和和pn
30、pn结相同的电结相同的电结相同的电结相同的电流变化规律流变化规律流变化规律流变化规律3.1肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 电流电压关系电流电压关系第三十三页，讲稿共五十八页哦其中：其中：称为肖特基结二极管的称为肖特基结二极管的反向饱和电流密度反向饱和电流密度。式中。式中BnBn通常通常即为理想情况下的肖特基势垒高度即为理想情况下的肖特基势垒高度B0B0，对于硅材料来说，对于硅材料来说，有效理查逊常数为有效理查逊常数为A A*=120A/cm=120A/cm2 2K K2 2，对于砷化镓材料来，对于砷化镓材料来说，则为说，则为A*=1.12A/cmA*=1.12A/cm2 2K K2 2。A
31、A*和有效质量有关，实际是与状态密度有关和有效质量有关，实际是与状态密度有关和有效质量有关，实际是与状态密度有关和有效质量有关，实际是与状态密度有关3.1肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 电流电压关系电流电压关系第三十四页，讲稿共五十八页哦3.1肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 与与PN结比较结比较肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管反向饱和电流密度：反向饱和电流密度：理想理想pn结二极管结二极管反向饱和电流密度：反向饱和电流密度：虽然J-V形式很相似，但反向饱和电流密度有很大差异1、电流输运机构不同。、电流输运机构不同。pn结二极管的反偏电流主要由少数载流子结二极管的反偏电流主要由少数载流子的扩
32、散运动决定的，而肖特基二极管中得电流由多数载流子通过热电的扩散运动决定的，而肖特基二极管中得电流由多数载流子通过热电子发射跃过内建电势差而形成的。子发射跃过内建电势差而形成的。Pn结比肖特基二极管小结比肖特基二极管小23个数量级。个数量级。35第三十五页，讲稿共五十八页哦3.1肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 与与PN结比较结比较36肖特基结二极管的开启肖特基结二极管的开启电压：电压：0.3V0.3V左右左右pnpn结二极管的开启电压结二极管的开启电压0.6V0.6V左右左右第三十六页，讲稿共五十八页哦3.1肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 与与PN结比较结比较2.两种二极管两种二极管正偏时的
33、特性正偏时的特性也不同，肖特基二极管的开启电也不同，肖特基二极管的开启电压低于压低于pn结二极管的有效开启电压。结二极管的有效开启电压。3.二者的二者的频率响应特性频率响应特性，即，即开关特性开关特性不同。不同。pn结从正偏转向反偏时，由于正偏时积累的少数载流子不能结从正偏转向反偏时，由于正偏时积累的少数载流子不能立即消除，开关速度受到电荷存储效应的限制；肖特基势垒立即消除，开关速度受到电荷存储效应的限制；肖特基势垒二极管，由于没有少数载流子存储，可以用于快速开关器件，二极管，由于没有少数载流子存储，可以用于快速开关器件，开关时间在皮秒数量级开关时间在皮秒数量级，其开关速度受限于结电容和串联，
34、其开关速度受限于结电容和串联电阻相联系的电阻相联系的RC延迟时间常数。工作频率可高达延迟时间常数。工作频率可高达100GHz，而而pn结的开关时间是纳秒数量级结的开关时间是纳秒数量级。第三十七页，讲稿共五十八页哦3.1肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 与与PN结比较结比较开关特性开关特性pn结二极管靠少子扩散运动结二极管靠少子扩散运动形成电流，外加正偏电压形成电流，外加正偏电压时少子首先形成一定的积时少子首先形成一定的积累，再靠扩散运动形成电累，再靠扩散运动形成电流。流。肖特基二极管的电流取决于肖特基二极管的电流取决于多子通过内建电势的发射多子通过内建电势的发射电流。外加正偏电压时直电流。外加
35、正偏电压时直接形成漂移电流流走。接形成漂移电流流走。38第三十八页，讲稿共五十八页哦第三章：金属半导体和半导体异质结第三章：金属半导体和半导体异质结 3.1 肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管3.2 金属金属半导体的欧姆接触半导体的欧姆接触3.3 异质结异质结3.4 小结小结39第三十九页，讲稿共五十八页哦3.2 金属金属-半半导体的体的欧姆接触欧姆接触u任何半任何半导体器件最后都要用金属与之接触，并由体器件最后都要用金属与之接触，并由导线引引出，因此，出，因此，获得良好的得良好的欧姆接触欧姆接触是十分必要的。是十分必要的。u 欧姆接触是接触电阻很低的结，理想状态下，欧姆欧姆接触是接触电阻很低的
36、结，理想状态下，欧姆接触所形成的电流是电压的线性函数。接触所形成的电流是电压的线性函数。两种欧姆接触：两种欧姆接触：1.使表面不产生势垒的接触使表面不产生势垒的接触2.隧道效应隧道效应40第四十页，讲稿共五十八页哦EcEFEFiEvEFEcEvEFEcEFEvEFEFEcEv理想非整流接触N N型（半导体）欧型（半导体）欧型（半导体）欧型（半导体）欧姆接触：金属功函姆接触：金属功函姆接触：金属功函姆接触：金属功函数小于半导体功函数小于半导体功函数小于半导体功函数小于半导体功函数数数数偏压下电子在金属偏压下电子在金属偏压下电子在金属偏压下电子在金属-半导体界面传输时，半导体界面传输时，半导体界面
37、传输时，半导体界面传输时，遇到的势垒很小遇到的势垒很小遇到的势垒很小遇到的势垒很小N N型欧姆接触往往型欧姆接触往往型欧姆接触往往型欧姆接触往往采用功函数较小采用功函数较小采用功函数较小采用功函数较小的金属，如的金属，如的金属，如的金属，如AlAl3.2 金属金属-半半导体的体的欧姆接触欧姆接触第四十一页，讲稿共五十八页哦EcEFEFiEvEFEcEvEFEcEFEFiEvEFEcEvEFP P型（半导体）欧型（半导体）欧型（半导体）欧型（半导体）欧姆接触：金属功函姆接触：金属功函姆接触：金属功函姆接触：金属功函数大于半导体的功数大于半导体的功数大于半导体的功数大于半导体的功函数函数函数函数偏
38、压下电子在金属偏压下电子在金属偏压下电子在金属偏压下电子在金属-半导体界面传输时，半导体界面传输时，半导体界面传输时，半导体界面传输时，遇到的势垒很小遇到的势垒很小遇到的势垒很小遇到的势垒很小P P型欧姆接触往往采型欧姆接触往往采型欧姆接触往往采型欧姆接触往往采用功函数较大的金属，用功函数较大的金属，用功函数较大的金属，用功函数较大的金属，如如如如PtPt3.2 金属金属-半半导体的体的欧姆接触欧姆接触第四十二页，讲稿共五十八页哦理想情况下，我们选理想情况下，我们选用功函数用功函数合适合适的金属和半导体就可以形的金属和半导体就可以形成欧姆接触，但实际成欧姆接触，但实际Si、Ge、GaAs这些半
39、导体的表面都这些半导体的表面都有很高的有很高的表面态密度表面态密度，无论是，无论是N型材料还是型材料还是P型材料的接触型材料的接触都无法有效降低势垒，因而这都无法有效降低势垒，因而这种方法种方法通常并不成功。通常并不成功。第四十三页，讲稿共五十八页哦前述没有考虑界面态的影响。实际由于界面态的影响，很前述没有考虑界面态的影响。实际由于界面态的影响，很难很好的形成欧姆接触难很好的形成欧姆接触.因此，实际的欧姆接触采用隧道效应。因此，实际的欧姆接触采用隧道效应。提高表面杂质浓度提高表面杂质浓度，利用，利用隧道效应隧道效应制成的欧姆接触，这制成的欧姆接触，这是是目前在生产实践中主要使用的方法目前在生产
40、实践中主要使用的方法。443.2 金属金属-半导体的欧姆接触半导体的欧姆接触 隧道效应隧道效应第四十四页，讲稿共五十八页哦利用隧道效应形成欧姆接触：利用隧道效应形成欧姆接触：高掺杂高掺杂薄势垒薄势垒强隧道效强隧道效应应欧姆接触欧姆接触EcEFEvEF掺杂浓度增大，隧掺杂浓度增大，隧掺杂浓度增大，隧掺杂浓度增大，隧道几率增大道几率增大道几率增大道几率增大有效质量越小，越有效质量越小，越有效质量越小，越有效质量越小，越利于隧穿利于隧穿利于隧穿利于隧穿隧道电流和势垒隧道电流和势垒隧道电流和势垒隧道电流和势垒高度也有关系高度也有关系高度也有关系高度也有关系n+nM隧道电流：隧道电流：隧道电流随掺杂浓度
41、的增大而指数增大。隧道电流随掺杂浓度的增大而指数增大。3.2 金属金属-半导体的欧姆接触半导体的欧姆接触 隧道效应隧道效应第四十五页，讲稿共五十八页哦接触电阻接触电阻接触电阻接触电阻Rc对于低掺杂的整流接触来说，电流对于低掺杂的整流接触来说，电流-电压关系为热电子电压关系为热电子发射机制，因而单位接触电阻为：发射机制，因而单位接触电阻为：I-VI-V曲线在零偏下斜率的倒数曲线在零偏下斜率的倒数曲线在零偏下斜率的倒数曲线在零偏下斜率的倒数对于低掺杂金对于低掺杂金-半接触来说，接触电阻强烈依赖于势垒高度半接触来说，接触电阻强烈依赖于势垒高度Bn3.2 金属金属-半导体的欧姆接触半导体的欧姆接触 比
42、接触电阻比接触电阻第四十六页，讲稿共五十八页哦对于高掺杂浓度的金属对于高掺杂浓度的金属-半导体结来说，隧道效应将起半导体结来说，隧道效应将起到主要作用。其单位接触电阻为：到主要作用。其单位接触电阻为：当掺杂浓度低于当掺杂浓度低于1017时，金时，金-半接触主要为热电子发射机半接触主要为热电子发射机制；当浓度大于制；当浓度大于1019时，隧道效应将占据主导地位；在时，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。两者之间时，则两种电流成分兼有。制作欧姆接触需要提高制作欧姆接触需要提高表面掺杂表面掺杂和降低和降低界面势垒界面势垒。但实。但实际上欧姆接触的制作需要大量的实践经验。对于禁带
43、宽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。度比较大的半导体来说，欧姆接触的制作更加困难。高高高高掺杂掺杂的金属的金属的金属的金属-半半半半导导体体体体结结的接触的接触的接触的接触电电阻阻阻阻强强烈依烈依烈依烈依赖赖于于于于掺杂浓掺杂浓度度度度3.2 金属金属-半导体的欧姆接触半导体的欧姆接触 比接触电阻比接触电阻Rc随随Nd呈指数规律变化。呈指数规律变化。第四十七页，讲稿共五十八页哦扩散界面和合金化扩散界面和合金化实际金属实际金属-半导体界面总是一个过渡界面，这来源于金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（典型为属
44、和半导体原子的相互扩散（典型为10个原子层厚度）个原子层厚度）在一定温度（在一定温度（200oC800oC）进行退火会加剧这种互扩）进行退火会加剧这种互扩行为，从而使过渡区更宽。行为，从而使过渡区更宽。金属金属-半导体原子之间可能只是半导体原子之间可能只是简单共熔简单共熔，也可能形成由特定比例金属原子和半导也可能形成由特定比例金属原子和半导体原子构成的体原子构成的化合物化合物，如，如硅化物硅化物；硅；硅化物一般为化物一般为多晶态多晶态，大小与金属的，大小与金属的晶粒相当，表现出晶粒相当，表现出金属性金属性。由于退。由于退火导致金属扩散至半导体内部，形火导致金属扩散至半导体内部，形成金属化的硅化
45、物区域，因而避开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面态的影响，因而可以更稳定的形成欧姆接触。成欧姆接触。3.2 金属金属-半导体的欧姆接触半导体的欧姆接触 比接触电阻比接触电阻第四十八页，讲稿共五十八页哦一般而言，无论是哪种欧姆接触方式，都要求一般而言，无论是哪种欧姆接触方式，都要求半导体半导体尽量高的掺杂浓度尽量高的掺杂浓度一般需要在一定的温度下进行一般需要在一定的温度下进行退火退火实际的欧姆接触制作往往极端依赖于半导体材料的重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。掺
46、杂，表面处理、金属和退火工艺。实际经验实际经验在欧姆在欧姆接触的制备过程中是非常重要的。接触的制备过程中是非常重要的。3.2 金属金属-半导体的欧姆接触半导体的欧姆接触 比接触电阻比接触电阻第四十九页，讲稿共五十八页哦第三章：金属半导体和半导体异质结第三章：金属半导体和半导体异质结 3.1 肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管3.2 金属金属半导体的欧姆接触半导体的欧姆接触3.3 异质结异质结3.4 小结小结50第五十页，讲稿共五十八页哦3.3 异质结异质结 形成异质结的材料形成异质结的材料以前讨论的以前讨论的pn结，是由导电类型相反的同结，是由导电类型相反的同一种半导体一种半导体单晶体材料单晶体
47、材料组成，也称同质结。组成，也称同质结。半半导体异体异质结是指由两种是指由两种不同不同的半的半导体材料构成的体材料构成的结；由于形成异；由于形成异质的两种材料通常具有不同的的两种材料通常具有不同的禁禁带宽度和度和电子合能子合能，异，异质结的的能能带图是可以多种多是可以多种多样的；与两种材料的不同性的；与两种材料的不同性质相相连系，异系，异质结具有具有许多多独特独特的性的性质。不不仅能能给器件的器件的设计提供更多的自由度，而且可能提供更多的自由度，而且可能提供新的技提供新的技术利用。利用。51第五十一页，讲稿共五十八页哦一个良好的异一个良好的异质结要求有要求有小的小的界面界面态密度密度；过高的界
48、高的界面面态密度会使异密度会使异质的的电学性学性质劣化，劣化，这是是许多异多异质结常常面常常面临的的问题，形成异，形成异质结的两种材料的晶格常数的两种材料的晶格常数应是相近的，是相近的，晶格常数的失配晶格常数的失配会在界面会在界面产生大量的生大量的悬挂挂键，从而形成大量界面，从而形成大量界面态。半半导体异体异质结构的形成往往依构的形成往往依赖于高精度的外延技于高精度的外延技术，如，如MBE、MOCVD等。等。半半导体异体异质结可根据材料的可根据材料的导电类型分成型分成同型异同型异质结和和异型异异型异质结。第五十二页，讲稿共五十八页哦导电类型相同的材料构成的异质结称为导电类型相同的材料构成的异质
49、结称为同型异质结同型异质结；如：如：n-N Ge-Si，n-N Si-GaAs，p-P Si-GaP；导电类型相反的材料构成的异质结称为导电类型相反的材料构成的异质结称为异型异质结异型异质结；如：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。面。3.3 异质结异质结 能带图能带图第五十三页，讲稿共五十八页哦由于构成异质结的是不同的由于构成异质结的是不同的材料，它们的材料，它们的晶格常数晶格常数一般一般是不相同的，所以在异质结是不相同的，所以在异质结中晶格失配是不可避免的。中晶格
50、失配是不可避免的。由于由于晶格失配晶格失配，在两种半导，在两种半导体材料的交界处产生了体材料的交界处产生了悬挂悬挂键键引入界面态引入界面态;3.3 异质结异质结 能带图能带图在异质结交界面处，在晶格常数在异质结交界面处，在晶格常数小的半导体中出现了一部分小的半导体中出现了一部分不饱和不饱和悬挂键悬挂键。第五十四页，讲稿共五十八页哦理想突变异质结：假设两种材料晶体结构、晶格常数、理想突变异质结：假设两种材料晶体结构、晶格常数、热膨胀系数相同，忽略悬键的产生和界面态。热膨胀系数相同，忽略悬键的产生和界面态。分析几种同型和异型异质结。通常设右侧材料分析几种同型和异型异质结。通常设右侧材料具有较宽的带