半導(dǎo)體物理與器件第九章課件

1、第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)0高等半導(dǎo)體物理與器件第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)1肖特基勢壘二極管金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸異質(zhì)結(jié)本章內(nèi)容第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)29.1 肖特基勢壘二極管異質(zhì)結(jié)：兩種不同材料組成的結(jié)。金屬-半導(dǎo)體接觸歐姆接觸：接觸電阻很低，結(jié)兩邊都能形成電流整流接觸：肖特基二極管，多發(fā)生在金屬-n型半導(dǎo)體接觸肖特基二極管電流主要取決于多數(shù)載流子流動。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)3（1）性質(zhì)上的特征真空能級作為參考能級。金屬功函數(shù)m，半導(dǎo)體功函數(shù)s；e為費米能級和真空能級之差。此處，ms。電子親和能。e是半導(dǎo)體導(dǎo)帶底與真空能級的差值

2、。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)4當(dāng)金屬與半導(dǎo)體緊密接觸時，兩種不同材料的費米能級在熱平衡時應(yīng)相同，此外，真空能級也必須連續(xù)。這兩項要求決定了理想的金半接觸獨特的能帶圖，如圖所示。 理想勢壘高度B0（肖特基勢壘）： 半導(dǎo)體一側(cè)，形成內(nèi)建電勢差Vbi： 類似pn結(jié)中情況，為半導(dǎo)體摻雜濃度的函數(shù)第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)5圖(a)為零偏情況下金屬-n型半導(dǎo)體接觸能帶圖。熱平衡，兩種材料間具有相同的費米能級。圖(b)為正偏情況（金屬上施以相對于n型半導(dǎo)體為正的電壓），半導(dǎo)體到金屬的勢壘高度將降低Va，使電子變得更易從半導(dǎo)體進(jìn)入金屬，正偏電流方向從金屬流向半導(dǎo)體。圖(c)為反偏情況，將使勢壘提

3、高了VR。因此，對電子而言，將變得更難從半導(dǎo)體進(jìn)入金屬中。 B0保持不變。xnxnxn第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)6（2）理想結(jié)的特性處理pn結(jié)相同方法來確定異質(zhì)結(jié)靜電特性空間電荷區(qū)的電場用泊松方程表示為：假設(shè)半導(dǎo)體均勻摻雜，則：C1是積分常數(shù)。由于半導(dǎo)體空間電荷區(qū)邊界電場強度E(xn)=0：均勻摻雜半導(dǎo)體，場強是線性函數(shù)，金屬與半導(dǎo)體接觸處，場強達(dá)到最大值。由于金屬中場強為零，因此在金屬-半導(dǎo)體結(jié)的金屬區(qū)中存在表面負(fù)電荷。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)7與pn結(jié)計算方法相同W，結(jié)果與p+n結(jié)相同，均勻摻雜半導(dǎo)體：VR是所加反偏電壓。運用突變結(jié)近似。結(jié)電容的結(jié)果與p+n結(jié)也是相同：砷化鎵

4、肖特基二極管Vbi比硅二極管的大第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)8（3）影響肖特基勢壘高度的非理想因素第一種因素是肖特基效應(yīng)，即勢壘的鏡像力降低效應(yīng)。電介質(zhì)中距離金屬x處的電子能夠形成電場，電場線與金屬表面必須垂直，與一個距金屬表面同樣距離（金屬內(nèi)部）的假想正電荷（+e）形成的電場相同，這種假想的影響如下圖所示。對電子的作用力取決于假想電荷的庫侖引力電勢的表達(dá)式為第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)9電子的電勢能為-e(x)；圖（b）是假設(shè)不存在其他電場時的電勢能曲線。電介質(zhì)中存在電場時，電勢表達(dá)式修正為恒定電場影響下，電子的電勢能曲線如圖（c）所示。由圖可見勢壘的峰值減小了，這種勢壘減小的現(xiàn)象就

5、是肖特基效應(yīng)。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)10肖特基勢壘減小，最大勢壘對應(yīng)的xm可由下式求得得出界面態(tài)則右圖為GaAs和Si的肖特基二極管的勢壘高度與金屬功函數(shù)的關(guān)系。曲線與理想勢壘公式不相符。金屬-半導(dǎo)體的勢壘高度由金屬功函數(shù)及半導(dǎo)體表面和接觸面的狀態(tài)共同決定。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)11假定金屬與半導(dǎo)體之間存在一條窄的絕緣層，形成電勢差，但電子在金屬與半導(dǎo)體間可自由流動。金屬與半導(dǎo)體的接觸表面，半導(dǎo)體呈現(xiàn)出表面態(tài)分布。熱平衡下，金屬-半導(dǎo)體結(jié)的能帶圖及表面態(tài)假定表面勢0以下的狀態(tài)是施主態(tài)，如表面出現(xiàn)電子，則將其中和，如沒電子，則呈現(xiàn)正電荷；以上的是受主態(tài)，如沒電子，則將其中和，

6、如有電子，則呈現(xiàn)負(fù)電性。圖中0以上EF以下的一些受主狀態(tài)，表面態(tài)密度Dit態(tài)/cm2eV，則表面勢、表面態(tài)密度及其他半導(dǎo)體參數(shù)的關(guān)系如下：第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)12情況1： Dit關(guān)系式化簡為勢壘高度由禁帶寬度和0決定。勢壘高度全部與金屬功函數(shù)和半導(dǎo)體電子親和能無關(guān)，費米能級固定為表面勢0。情況2：Dit0關(guān)系式化簡為即原始的理想表達(dá)式。在半導(dǎo)體中，由于勢壘降低的影響，肖特基勢壘高度是電場強度的函數(shù)。同時勢壘高度也是表面態(tài)的函數(shù)，由于表面態(tài)無法預(yù)知，所以勢壘高度是一個實驗值。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)13（4）電流-電壓關(guān)系pn結(jié)電流：少數(shù)載流子決定金屬半導(dǎo)體結(jié)中的電流：多數(shù)載

7、流子決定n型半導(dǎo)體整流接觸的基本過程：電子運動通過勢壘，熱電子發(fā)射理論。熱電子發(fā)射理論假設(shè)：勢壘高度遠(yuǎn)大于kT，玻爾茲曼近似，熱平衡不被打破。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)14正偏時，跨越勢壘的靜電勢差降低，因此表面電子濃度增加；而由金屬流向半導(dǎo)體的電子流量維持不變。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)15在半導(dǎo)體表面的電子若是具有比勢壘高度更高的能量，便可以通過熱電子發(fā)射而進(jìn)入金屬中。規(guī)定金屬到半導(dǎo)體的方向為正方向。則有Ec是電子能夠發(fā)射到金屬中時所需的最小能量，vx是載流子沿輸運方向的速度。電子濃度增量dn可表示為：Ec以上的能量被視為動能，則則金屬-半導(dǎo)體結(jié)中的凈電流密度為第九章 金屬半導(dǎo)

8、體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)16其中Bn是實際肖特基勢壘高度，A*是熱電子發(fā)射的有效理查德森常數(shù)。上式改寫為JsT是反向飽和電流密度，表示為Bn的變化是由鏡像力降低引起的。由Bn=B0-，上式可寫為反向電流隨著反偏電壓的增加而增大是由于勢壘降低的影響。肖特基勢壘二極管加反偏電壓時的典型I-V曲線第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)17理想肖特基二極管的I-V關(guān)系形式上與pn結(jié)二極管的相同：（5）肖特基勢壘二極管與pn結(jié)二極管的比較兩者間有兩點重要區(qū)別：第一是反向飽和電流密度的數(shù)量級。兩種器件的輸運機制不同：肖特基二極管-多子通過熱電子發(fā)射躍過內(nèi)建電勢差，pn結(jié)二極管-少子擴散運動。肖特基二極管的理想反向飽和電

9、流值比pn結(jié)大好幾個數(shù)量級。肖特基二極管的有效開啟電壓低于pn結(jié)二極管。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)18右圖為肖特基二極管和pn結(jié)二極管的正偏I(xiàn)-V特性曲線比較。肖特基二極管的有效開啟電壓低于pn結(jié)二極管的有效開啟電壓。主要原因是金半接觸和pn結(jié)中的摻雜具有不同的勢壘高度函數(shù)，但還存在著其他主要的不同。肖特基二極管與pn結(jié)二極管的第二個主要不相同點：頻率響應(yīng)，即開關(guān)特性。肖特基二極管是多子導(dǎo)電器件，其正偏時不產(chǎn)生擴散電容高頻器件；正偏轉(zhuǎn)向反偏時，也不存在少子的存儲效應(yīng)快速開關(guān)器件。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)199.2 金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸歐姆接觸接觸電阻很低在金屬和半導(dǎo)體兩邊都能形

10、成電流形成的電流是電壓的線性函數(shù)，電壓要低兩種常見歐姆接觸：非整流接觸隧道效應(yīng)形成第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)20（1）理想非整流接觸勢壘ms，金屬與p型半導(dǎo)體結(jié)歐姆接觸接觸前接觸前接觸后接觸后熱平衡熱平衡考慮表面態(tài)影響，無法形成良好的歐姆接觸第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)21（2）隧道效應(yīng)金屬-半導(dǎo)體接觸的空間電荷寬度與半導(dǎo)體摻雜濃度的平方根成反比。隨著摻雜濃度增加，耗盡層寬度減小，隧道效應(yīng)增強；例9.7，重?fù)诫s半導(dǎo)體耗盡層厚度數(shù)量級為埃，隧道電流是結(jié)中的主要電流。隧道電流為：其中第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)22（3）比接觸電阻歐姆電阻的優(yōu)勢在于接觸處電阻RC，定義：在零偏壓時，電

11、流密度對電壓求導(dǎo)的倒數(shù)，即對于由較低半導(dǎo)體摻雜濃度形成的整流接觸來說，電流-電壓關(guān)系如下：結(jié)中的熱發(fā)射電流起主要作用。此時，單位接觸電阻為單位接觸電阻隨勢壘高度的下降迅速減小。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)23對于具有高摻雜濃度的金屬-半導(dǎo)體結(jié)來說，隧道效應(yīng)起主要作用。則單位接觸電阻為表明單位接觸電阻是強烈依賴于半導(dǎo)體摻雜濃度的函數(shù)。右圖是Rc隨半導(dǎo)體摻雜濃度變化的一系列理論值。摻雜濃度約大于1019cm-3，隧道效應(yīng)占主導(dǎo)地位，Rc隨Nd呈指數(shù)規(guī)律變化；摻雜濃度較低時，Rc值由勢壘高度決定，與摻雜濃度基本無關(guān)。圖中還繪出了實驗數(shù)據(jù)。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)249.3 異質(zhì)結(jié)（1）形

12、成異質(zhì)結(jié)的材料異質(zhì)結(jié)由兩種具有不同禁帶寬度的材料組成。結(jié)表面的能帶是不連續(xù)的。突變結(jié)：半導(dǎo)體由一個窄禁帶寬度材料突變到寬禁帶寬度材料形成的結(jié)。為形成一有用的異質(zhì)結(jié)，兩種材料的晶格常數(shù)必須匹配。第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)25（2）能帶圖根據(jù)帶隙能量的關(guān)系，異質(zhì)結(jié)有3種可能：跨騎（圖(a)）、交錯（圖(b)）、錯層（圖(c)）。根據(jù)摻雜類型的不同，有4種基本類型的異質(zhì)結(jié)：反型異質(zhì)結(jié)：摻雜類型變化，例nP結(jié)、Np結(jié)同型異質(zhì)結(jié)：摻雜類型相同，例nN結(jié)、pP結(jié)其中，大寫字母表示較寬帶隙的材料窄帶隙和寬帶隙能量的關(guān)系: (a)跨騎；(b)交錯；(c)錯層第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)26真空能帶與

13、兩個導(dǎo)帶能級和價帶能級平行，真空能級連續(xù)。接觸前能帶第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)27熱平衡狀態(tài)下的一個典型理想nP異質(zhì)結(jié)第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)28（3）二維電子氣nN異質(zhì)結(jié)在熱平衡狀態(tài)下的理想能帶圖為達(dá)到熱平衡，電子從寬帶隙材料流向窄帶隙，在臨近表面的勢阱處形成電子的堆積。電子在勢阱中能量是量子化的。二維電子氣指電子在一個空間方向上（與界面垂直方向）有量子化的能級，同時也可向其他兩個空間方向自由移動。圖（a）為導(dǎo)帶邊緣靠近突變結(jié)表面處的能帶圖（b）三角形勢阱的近似形狀第九章 金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)29平行于表面的電流是電子濃度和電子遷移率的函數(shù)。由于GaAs輕摻雜或本征，則二維電子氣處于一低雜質(zhì)濃度區(qū)，因為雜質(zhì)散射效應(yīng)達(dá)到最小。同樣區(qū)域，電子遷移率遠(yuǎn)大于有電離施主雜質(zhì)時的遷移率。平行于表面的電子運動受到AlGaAs中電離雜質(zhì)庫侖力的影響，采用AlGaAs-GaAs異質(zhì)結(jié)時這種作用將大大減弱。將逐漸變化的本征AlGaAs夾在N型AlGaAs和GaAs間。勢阱中電子遠(yuǎn)離已電離雜質(zhì)，則電子遷移率較突變的異質(zhì)結(jié)中遷