第4章 金属半导体结精选PPT.ppt
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1、第4章金属半导体结第1页,本讲稿共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。前者称为整流接触
2、,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。第2页,本讲稿共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(Pierce
3、Pierce)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。第3页,本讲稿共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。p19381938年
4、,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。第4页,本讲稿共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制造具有重复性的金属制造
5、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。第5页,本讲稿共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。第6页,本讲稿共83页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒第四
6、章第四章 金属金属-半导体结半导体结第7页,本讲稿共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)第8页,本讲稿共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)正偏压正偏压:半导体上相对于金属加:半导体上相对于
7、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第9页,本讲稿共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)第10页,本讲稿共83页4.1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒p与与P-NP-N结情形一样,给出结情形一样,给
8、出 与与 关系曲线关系曲线,得直线关得直线关系系,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 硅硅第11页,本讲稿共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,中电容按单位面积表示,。求得。求得 第12页,本讲稿共83页4.
9、1 4.1 肖特基势垒肖特基势垒从图从图4-34-3第13页,本讲稿共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第14页,本讲稿共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
10、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。5.5.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
11、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第15页,本讲稿共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。第16页,本讲稿共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
12、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。掌握公式掌握公式第17页,本讲稿共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势垒二极管的整流特性基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杂。v作业:作业:4.14.1、4.24.2、4.34.3、4.44.4、4.54.5、第18页,本讲
13、稿共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第19页,本讲稿共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第20页,本讲稿共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,晶格的晶格的断裂产生大量能量状态,称为界面态或表面态,断裂产生大量能量状态,称为界面态或表面态,位于禁带内。位于禁带内。第21页,本讲稿共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
14、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。如表征。如被占据的界面态高达被占据的界面态高达 ,而,而 以上空着,则这时的以上空着,则这时的表面表面为电中性为电中性。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,表面以上的状态被占据时,表面荷负电,类似荷负电,类似受主受主的作用。若的作用。若 与费米能级对准,与费米能级对准,则净表面电荷为零。则净表面电荷为零。第22页,本讲稿共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
15、中,界面态的净,界面态的净电荷为正电荷为正,类,类似施主。似施主。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。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),),且势垒高且势垒高度度 也被降低,更小的也被降低,更小的 使使 更近更近 。第23页,本讲稿共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
16、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 变成与金属和半导体变成与金属和半导体的功函数无关。的功函数无关。第24页,本讲稿共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 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 数值当中数值当中处于处于
17、支配支配地位,势垒高度基本上与两个功函数差以及半导地位,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。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,发现大多数半导体的发现大多数半导体的能量能量 在离开价带边在离开价带边 附近。附近。第25页,本讲稿共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导体上的肖特基势垒高度第26页,本讲稿共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-半导体结半导体结第2
18、7页,本讲稿共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)第28页,本讲稿共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偏压电场)和偏压电场),总势能总势能(4-10)(4-11)图图4.5(
19、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。第29页,本讲稿共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金属表面x处的电子会在金属上感应出正处的电子会在金属上感应出正电荷电荷,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电子与感应正电荷间的静电引力叫做镜像
20、力引力叫做镜像力.第30页,本讲稿共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)第31页,本讲稿共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降低很多.(4-13)第32页,本讲稿共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面附
21、近的半导体导带要有电子存在。表面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镜像力影响。受镜像力影响。第33页,本讲稿共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
22、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能带变窄。处能带变窄。第34页,本讲稿共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。垒高度下降。这种效应叫做肖特基效应。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
23、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第35页,本讲稿共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第36页,本讲稿共83页4.44.4肖特基势垒二极管电流电压特性肖特
24、基势垒二极管电流电压特性第四章第四章 金属金属-半导体结半导体结第37页,本讲稿共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
25、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 .第38页,本讲稿共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平衡时内部载流子浓度(4-15)第39页,本讲稿共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
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