1、1第一部分 半导体器件第一章 pn结二极管第二章 异质结二极管（量子阱、超晶格）第三章 金属 -半导体肖特基二极管（包括欧姆接触和肖特基接触）郑 新 和第三章 金属 -半导体肖特基二极管（包括欧姆接触和肖特基接触）3.1 金属 -半导体二极管历史3.2肖特基势垒二极管3.3 金属 -半导体的欧姆接触2Th e Nob el Priz e in Physi cs 1909 G ug l i el mo M arco n i K ar l Fe rd i na nd B ra un ( 18 74 - 1937 ) ( 1850 - 1918 ) T he N ob el P ri ze i n
2、P hy sics 19 09 w as a w arde d j oint l y t o G ug l i el mo M arco ni an d K arl Fe rdi na nd B raun “ i n r ec og n i t i on o f t he i r c on t ri bu t i on s t o t he de v elopmen t of w i rel es s t e l eg raph y “ 实际上最早具有应用的二极管是金属和半导体的点接触二极管 (1900年前后 ， 理论发现在 1874年 )，又称猫须 (cats whisker)或晶体二极管
3、(crystal diode)探测器 ， 由很细的钨丝和方铅矿 PbS组成 ， 用作radio detector (右图 )。3.1 金属 -半导体二极管 (整流 )历史 In 1874, German scientist Karl FerdinandBraun discovered the electricalresistance of various natural andsynthetic metal sulfide samples wasdependent on direction. CRT in 1897,and coupled resonant circuits in wirele
4、sstransmitters in 1898. In 1899, Jagadis Chandra Bose, professorof physics in India, used galena (PbS)crystals-metal wire to detect millimeterwaves and patented it 2 years later. Bosesdetector and Marconis circuit was usedin Marconis first transatlantic radiotransmission in 1901. 3 In 1906, G.W. Pic
5、kard (American, 1877-1956)received a patent on a practical point-contactrectifier using Si. In 1907, George W. Pierce published a paper inPhysical Review showing rectification propertiesof diodes made by sputtering many metals onvarious semiconductors (Cu2O/Cu, Se/Metal, Si/W,见右图 ) with a point-cont
6、act. In 1926, the use of the metalsemiconductor dioderectifier was proposed by Lilienfeld in the first ofhis three-terminal transistor patents as the gateof the metalsemiconductor field effect transistors. In 1939, the correct theory of the field-effecttransistor using a metal/semiconductor gate was
7、advanced by William Shockley.4 In 1939, the first theory that predicted the correct direction ofrectification of the metalsemiconductor junction was given byNevill Mott. He also found the solution for currents formula as theMott barrier (since 1948). Walter H. Schottky (1886 1976, German physicist)
8、and Spenkeextended Motts theory by introducing a linearly decaying electricfield as the Schottky barrier (diffusion model). A similar theory(Schottky-Davydov extension ) was also proposed by Davydov in1939. In 1942, the correct theory was developed by Hans. In Bethestheory, the current is limited by
9、 thermionic emission of electronsover the metalsemiconductor potential barrier, which can betterpredict the modern metalsemiconductor diode characteristicscorrectly. Thus, the appropriate name for the metalsemiconductordiode should be the Bethe diode, instead of the Schottky diode.53.2肖特基势垒二极管实际上 ，
10、金属和半导体接触时 ， 将形成两种类型的结：整流 (肖特基势垒二极管 )和欧姆或低阻特性3.2.1 基本特性接触前的 金属 -n型半导体 ， 其中 ms， 则预示什么不同 ？接触后热平衡金属 -半导体接触能带图 ， 其中 B0为理想势垒高度 ，即 肖特基势垒 。 另外 ， 还有 内建势垒 Vbi和耗尽层 。6(1) 理想情况 mB 0smnBbiqV 0问题：为什么？思考：对 p型半导体 ， 理想势垒高度以及同一金属在 n型 、p型半导体上的肖特基势垒之和 ？ 并画出示意图 。7 电子亲和势模型8 金属功函数的变化Note that the workfunction depends onthe
11、 configurations ofatoms at the surface ofthe material.9 半导体电子亲和势h-GaN 3.39 4.1 偏压下金属 -n型半导体接触能带图问题：与 pn结有什么区别？ (p+-n)电流与多子还是少子有关？电流方向？10 mB 0理想势垒高度 B0保持不变，为什么？思考金属与 p型半导体肖特基接触在偏压下的能带图变化？电流 电流正偏 反偏电场强度分布)( xxqNE nsD 空间电荷区宽度 2/1)(2 DRbisn qNVVxw 2/1nj )(2dVdxqAdVdQ RbiDsRDR VVNqANC 结电容11 肖特基结半导体特性举例：对
12、金属钨 (W)-n型 Si接触 ， 室温下 (T=300 K)n-Si的掺杂浓度为ND=1016/cm3， 试计算 B0、 Vbi和零偏时 Emax。eVSinWmB 54.001.455.4)()(0 VqV nBbi 3 3 4.02 0 6.054.0/)( 0 eVNNkTDcn 206.010108.2ln0 2 5 9.0ln1619mqN VxwDbisn 208.0)10)(106.1()334.0)(1085.8)(7.11(2)(2 2/11619142/1 cmVxqNEsnD /1021.31085.87.11 10208.010106.1 41441619m a x
13、12电场大小的数量级与 pn结相当13根据左图 ， 可推出 W-Si接触时 Si的Vbi=0.40 V ， 又DsRbiNqVVC )(212j DsRR NqVCdVCd2/1/1 2j2j (2) 实际的肖特基势垒高度使用 C-V特性获得内建势垒 Vbi根据 n， 由此获得势垒高度 BnnBbiqV 0 nbiB qV 0即上述 1/C2 VR曲线的斜率为13104.42 Ds Nq 317107.2 cmN D此时， n为：eVNNkTDcn 12.0107.2108.2ln0 2 5 9.0ln1719于是 Bn为： eVqVnbiB 52.012.040.0n 但有时电子亲和势模型给
14、出的 B0计算值与实际测量值很远？14eVSinWmB 54.001.455.4)()(0 理论计算值如对 Al的功函数取为 4.1 eV， 则根据电子亲和势模型计算的 Al-n型Si(掺杂浓度已知 )接触势垒高度和内建势垒如下：即计算出的势垒高度 B0=m-=0.05 eV， 而实际测量的势垒高度已经达到了 0.5 0.6 eV。 为什么 ？1516 测量的肖特基势垒高度 界面诱导偶极层对肖特基势垒高度的影响17 金属 Al中的电子隧穿进入 Si禁带 ， 在界面处形成 电偶极层； 考察能带图看出 ， 电子可以隧穿到 Si的几乎整个禁带 ， 因此界面处有大量的电子或电荷 ， 大于异质结情况；
15、厚度仍很薄 ， 大约 1 nm。 荷电区：半导体隧穿诱导偶极层 (负电荷 )、 半导体耗尽区 、 金属表面电荷区 (正电荷 )18 含电偶极层的能带图 隧穿到半导体界面处的电子提升能带边位置； 电子在两个方向上面对的势垒不同； 受金属和半导体表面的影响 ， 实验测量的势垒高度具有很大的离散性 ， 其根源来自界面态 。 利用该原理结合真空设备 (如纳米真空互联实验装置 )可研究 半导体表面吸附外来原子和结构 。3.2.2 电流 -电压关系19(1)热电子发射理论热平衡下 ， 半导体中具有足够能量越过势垒到达金属一侧的电子束流 (Fsm)， 对应电流密度为 Jsm ， 等于金属中能越过肖特基势垒到
16、达半导体一侧的电子束流 (Fms)， 对应电流密度为 Jms， 即 Jsm= Jms， 净电子束流为零 ， 相应的净电流也为零 。以金属 -n型半导体为例正向偏压下 Va， 半导体中的内建势垒降低， 从而将有更多电子越过势垒形成大的Fsm， 而此时由于肖特基势垒高度仍不变， 仍维持和热平衡相近的 Fms， 从而形成了净的电子束流 ， 对应 电流的方向由金属指向半导体 ， 为正值 。20反向偏压下 ， 半导体中的内建势垒增加 ，从而将有较少的电子越过势垒形成小的Fsm， 而此时由于肖特基势垒高度不随外加偏压而改变 ， 仍维持和热平衡相近的Fms， 从而形成了净的电子束流 ， 对应 电流的方向由半
17、导体指向金属 ， 为负值 。 此时有一反向饱和电流 JST， 与偏压无关 。根据上述分析 ， 肖特基二极管的电流大小和方向与半导体内建势垒随外加偏压有关 ， 类似于 pn结的电流过程 ， 所以应具有非常类似的电流 -电压表达式 。热电子发射机理最早由 Bethe于 1942年研究晶体整流效应中提出 ， 基于以下几个假设： 势垒高度远大于热电势； 电子发射处已建立起热平衡态； 静电流不影响上述热平衡 ， 因而电流可以叠加 。21 热电子发射电流机理由英国物理学家 Owen Willans Richardson于1901年发现并提出方程 (1928年获诺贝尔物理奖 )， 实际上注意并发现热电子发射
18、的现象远早于此 ， 不过 该理论的建立是在 J. J.Thomson于 1897年发现电子 (获 1906年诺贝尔物理奖 )后实现的 。 热电子发射早在 1873年就有人发现 ， 也包括 1880年 Thomas Edison重新发现该现象 。Th e Nobel Priz e in Ph ysic s 1928 O w en W i l l an s R i ch ards on ( 18 79 - 1959) T he N ob el P ri ze i n P hy sics 19 28 w as a w arde d t o O w en Wi l l an s Richa rdso
19、n “ f or his w ork on t he t he rm i on i c phe no meno n and es pe cial l y f or t he disco ve ry of t he l aw na med af t er hi m“ . 22Schottky invented the screen-grid vacuum tube in 1915 and the pentode(五极管 ) in 1919 while working at Siemens, co-invented the ribbonmicrophone(带式传声器 ) and ribbon l
20、oudspeaker (带式扩音器 ) alongwith Dr. Erwin Gerlach in 1924 and later made many significantcontributions in the areas of semiconductor devices, technical physics andtechnology.Walter Hermann Schottky (1886 1976), Germanphysicist, played a major early role in developingthe theory of electron (1938年提出了肖特基
21、二极管的扩散理论 )and ion emission phenomena.Schottkys most important scientific achievementwas to develop (in 1914) the interaction energybetween a point charge q and a flat metal surface.23根据热电子发射原理的假设 ， 从半导体向金属发射的电子所需的最低能量应为 EC， 因此电流密度 Jsm可写成 nCCC qxE xE xE xms dEdEdnqdEdEdnqdnqJ )(dvvkTvmkT ExEhmdEdEdn
22、Fnc 22*3*42exp)(exp2 24又 anFCBnn VExEq ,)(kTqVmsaBneTAJ 2*nqvm 22*25又金属流向半导体的电子流量维持不变 ， 因此正向偏压下的 Jms大小为 (等于热平衡条件下的 Jsm)kTVmssmBnaeTAJJ 2*0于是 ， 净电流 J为kTkTqVsmmsBnaBn eTAeTAJJJ 2*2*- 12* kTqVkT aBn eeTA )KA/(cm量纲为方程，D u s h m a n-R i c h a r d s o n为有效理查逊常数或4其中，2232*hkqmA ，最初用来描述金属热电子发射过程。)/(1 2 04 22
23、3 20* KcmAh kqmA 对金属自由电子 ，对 n型 Si和 p型 Si， 有效理查逊常数值分别为 110、 32；对 n-GaAs和 p-GaAs， 其值分别为 8、 74。26根据前述 1/ kTqVsT aeJJ与偏压无关,4 /23 2* 0 kTsT BeTh kqmJ 12* kTqVkT aBn eeTAJ 并令 kTsT BeTAJ /2* n于是，理想肖特基势垒二极管的电流密度为：但与半导体的有效质量、势垒高度和温度有关。 JsT大小变化27问题：金属中的电子还会如何移动到半导体？半导体的价带，但空穴数量极少除了热电子发射理论 ， 还有肖特基的扩散理论 (德语版 ，
24、1938年 )以及由 Crowell和施敏提出的热电子发射扩散理论 (综合热电子发射和扩散理论 )。C. R. Crowell and S. M. Sze, Current transport in metal-semiconductor barriers,Solid State Electron., 9, 1035 (1966)(2) 较大反偏电压下的隧穿和镜像力影响28对 Ge基肖特基二极管 ， 反向特性与热电子发射理论偏离较多 。对 PtSi-Si肖特基二极管 ， 考虑势垒降低和隧穿后的理论和实验结果29 隧穿效应根据左图隧穿图 ， 可假设肖特基势垒为三角形 ， 由此知 电子的能量 E越接近 Emax， 越容易发生隧穿； 但此时 ， 电子的态密度也降低， 因此二者的平衡会导致隧穿电流有最大值 。上述通过三角形势垒的隧穿称为Fowler-Nordheim隧穿 ， 表达式为qEmBFNBeEqJ 3/240222 2/30*16显然 ， 隧穿电流与电场 E和有效质量有关 。30 镜像效应导致的势垒降低肖特基理论：假设 n型半导体 ， 具有介质特性的半导体中的电子 (肖特基势垒附近 )在金属表面感应出正电荷 ， 同时受到正电荷的吸引 (库仑力 )。 被感应出的正电荷称为镜像电荷 ， 主要集中在 界面附近 。
