1、第四章 金属半导体结,引言,金属半导体形成的冶金学接触叫做金属半导体结（M-S结）或金属半导体接触。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的金属薄膜都可以实现金属半导体结，前者称为点接触，后者则相对地叫做面接触。金属半导体接触出现两个最重要的效应：其一是整流效应，其二是欧姆效应。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。 金属半导体结器件是应用于电子学的最古老的固态器件。 1874年布朗（Brawn）就提出了金属与硫化铅晶体接触间具有不对称的导电特性。 1906年皮卡德（Pickard）获得了硅点接触整流器专利。 1907年皮尔斯（Pie
2、rce）提出，在各种半导体上溅射金属可以制成整流二极管。 二十年代出现了钨硫化铅点接触整流器和氧化亚铜整硫器。 1931年肖特基(Schottky)等人提出M-S接触处可能存在某种“势垒”的想法。 1932年威尔逊（Wilson）等用量子理论的隧道效应和势垒的概念解释了M-S接触的整流效应。,引言,1938年肖特基和莫特（Mott）各自独立提出电子以漂移和扩散的方式越过势垒的观点。 同年，塔姆（Tamm）提出表面态的概念。 1947年巴丁（Bardein）提出巴丁势垒模型。 由于点接触二极管的重复性很差，50年代，在大多数情况下它们已由PN结二极管所代替。 到70年代，采用新的半导体平面工艺和
3、真空工艺来制造具有重复性的金属半导体接触，使金属半导体结器件获得迅速的发展和应用。 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。这种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欧姆接触与其它器件或电路元件相连接。,4.1肖特基势垒,4.1肖特基势垒,一、肖特基势垒的形成（考虑金属与N-半导体）半导体功函数 金属的功函数 半导体的电子亲和势。假设半导体表面没有表面态，接触是理想的，半导体能带直到表面都是平直的。自建电势差肖特基势垒高度或其中,（4-1）,（4-3）,（4-4）,（4-2）,4.1肖特基势垒,二、加偏压的肖特基势垒 正偏压
4、：在半导体上相对于金属加一负电压 。 半导体金属之间的电势差减少为 ， 变成 ， 反偏压：正电压 加于半导体上。 势垒被提高到 （ 图4-2c）。,图4-2 肖特基势垒的能带图（a）未加偏压（b）加有正向偏压 （c）加有反向偏压,4.1肖特基势垒,对于均匀掺杂的半导体，类似于 结，在空间电荷区解Poisson方程 可得空间电荷区宽度：,（4-5）,结电容：,（4-6）,或,（4-7）,4.1肖特基势垒,与P-N结情形一样，可以给出 与 的关系曲线以得到直线关系 （图4-3）。从中可以计算出自建电势和半导体的掺杂浓度。,图4-3 钨硅和钨砷化镓的二极管1/C2与外加电压的对应关系,4.1肖特基势
5、垒,例题：从图4-3计算硅肖特基二极管的施主浓度、自建电势和势垒高度。 解 利用（4-7）式 ，写成 在图4-3中电容是按单位面积表示的，因此 。我们求得 时：，因此,4.1肖特基势垒,由于从图4-3有 ，所以有,4.1肖特基势垒,小结 金属半导体接触出现两个最重要的效应：整流效应和欧姆效应。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。 金属与N型半导体接触如果金属的功函数大于半导体的功函数则将形成肖特基势垒。 画出了热平衡情况下的肖特基势垒能带图。 半导体空间电荷层自建电势为肖特基势垒高度为或,（4-1）,（4-2）,（4-3）,（4-4）,4.1肖特基势垒,小结 画出
6、了加偏压的的肖特基势垒能带图，根据能带图解释了肖特基势垒二极管的整流特性。 由于金属中具有大量的电子，偏压情况下金属费米能级不变，因此 不变不变亦可从公式（4-3）看出 解Poisson方程可得肖特基势垒的空间电荷区宽度 式中 为半导体的掺杂浓度， 为反向偏压。,（4-5）,4.1肖特基势垒,小结 肖特基势垒结电容或 与P-N结情形一样，可以由 与 的关系曲线求出自建电势和半导体的掺杂情况。,（4-7）,（4-6）,4.1肖特基势垒,教学要求 了解金属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。 掌握公式,（4-1）,（4-5）,（4-3）,（4-6）,4.1肖特基势垒
7、,教学要求 掌握公式画出加偏压的的肖特基势垒能带图，根据能带图解释肖特基势垒二极管的整流特性 为什么偏压情况下 不变？ 由 与 的关系曲线求出自建电势和半导体的掺杂情况。 作业：4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、,（4-7）,4.2界面态对势垒高度的影响,4.2界面态对势垒高度的影响,4-4 被表面态钳制的费米能级,4.2界面态对势垒高度的影响,由（4-2）式所确定的势垒高度，往往与根据CV曲线测量所得到的 不一致。这是因为在实际的肖特基二极管中，在界面处晶格的断裂产生大量能量状态，称为界面态或表面态，位于禁带内。界面态通常按能量连续分布，并可用一中性能级 表征。如果被占据的界面态高达
8、，而 以上空着，则这时的表面为电中性。也就是说，当 以下的状态空着时，表面荷正电，类似于施主的作用；当 以上的状态被占据时，表面荷负电，类似于受主的作用。若 与费米能级对准，则净表面电荷为零。在实际的接触中， 时，界面态的净电荷为正，类似于施主。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。,4.2界面态对势垒高度的影响,结果是，自建电势被显著降低如图（4-4a），并且，根据式（4-3），势垒高度 也被降低。从图4-4（a）看到，更小的 使 更近 。与此类似，若 ，则在界面态中有负电荷，并使 增加，还是使 和 接近
9、（图4-4b）。因此，界面态的电荷具有负反馈效应，它趋向于使 和 接近。若界面态密度 很大， 则费米能级实际上被钳位在 （称为费米能级钉扎效应），而 变成与金属和半导体的功函数无关。在大多数实用的肖特基势垒中，界面态在决定 数值当中处于支配地位，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。由实验观测到的势垒高度列于表4-1中。发现大多数半导体的能量 在离开价带边 附近。,4.2界面态对势垒高度的影响,表4-1 以电子伏特为单位的N型半导体上的肖特基势垒高度,4.3镜像力对势垒高度的影响,4.3镜像力对势垒高度的影响,三、镜像力对势垒高度的影响 一、镜像力降低肖特基势垒高度（肖特基效应
10、）：镜象力引起的电子电势能为 其中边界条件取为: 时， 和 时， 。如图4.5（b）所示。,（4-8）,（4-9）,4.3镜像力对势垒高度的影响,将原来的理想肖特基势垒近似地看成是线性的，因而界面附近的导带底势能曲线写做其中 为表面附近的电场，等于势垒区最大电场（包括内建电场和偏压电场）。总势能为,（4-10）,（4-11）,如图4.5（c）所示。可见原来的理想肖特基势垒的电子能量在 处下降，也就是说使肖特基势垒高度下降。这就是肖特基势垒的镜像力降低现象，又叫做肖特基效应，如图4-5所示。,4.3镜像力对势垒高度的影响,图4-5 镜像力降低金属半导体势垒,4.3镜像力对势垒高度的影响,二、势垒
11、降低的大小和发生的位置 ：,设势垒高度降低的位置发生在 处，势垒高度降低值为 。,令 ，由（4-11）式得到,（4-12）,4.3镜像力对势垒高度的影响,由于 故大电场下，肖特基势垒被镜像力降低很多。,（4-13）,4.3镜像力对势垒高度的影响,镜像力使肖特基势垒高度降低的前提是金属表面附近的半导体导带要有电子存在。所以在测量势垒高度时，如果测量方法与电子在金属和半导体间的输运有关，则所得结果是 ；如果测量方法只与耗尽层的空间电荷有关而不涉及电子的输运（例如电容方法），则测量结果不受镜像力影响。,4.3镜像力对势垒高度的影响,空穴也产生镜像力，它的作用是使半导体能带的价带顶附近向上弯曲，如图4
12、-6所示，但它不象导带底那样有极值，结果使接触处的能带变窄。,4.3镜像力对势垒高度的影响,小结 肖特基效应：镜像力使理想肖特基势垒的电子能量在下降，也就是使肖特基势垒高 度下降。这种效应叫做肖特基效应。 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是线性的：根据总能量 和图4.5c解释了肖特基效应。,（4-10）,（4-11）,4.3镜像力对势垒高度的影响,小结 计算了肖特基势垒的降低和总能量最大值发生的位置：,（4-13）,（4-12）,4.3镜像力对势垒高度的影响,教学要求 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4.5c解释肖特基效应。 计算肖特基势垒的
13、降低和总能量最大值发生的位置。 作业：4.8、4.9,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,热电子和热载流子二极管：当电子来到势垒顶上向金属发射时，它们的能量比金属电子高出约 。进入金属之后它们在金属中碰撞以给出这份多余的能量之前，由于它们的等效温度高于金属中的电子，因而把这些电子看成是热的。由于这个缘故，肖特基势垒二极管有时被称为热载流子二极管。这些载流子在很短的时间内就会和金属电子达到平衡，这个时间一般情况小于 一、空间电荷区中载流子浓度的变化 对于非简并化情况，导带电子浓度和价带空穴浓度为,（4-14）,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,设半导体
14、内本征费米能级为 ，热平衡时半导体内部的载流子浓度为表面空间电荷区内，本征费米能级为 则空间电荷区中载流子浓度为,（4-15）,（4-16）,（4-17）,（4-18）,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,在半导体与金属界面处 称为表面势。 取半导体内为电势零点，则表面势 =-二、电流电压特性李查德杜师曼（Richardson-dushman）方程 在 M-S 界面,（4-19）,（4-20）,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,（4-21）,（4-22）,即,当有外加电压 时,（4-23）,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,由气体动力论，单位时间入射到单位面积上的电子数即进入金属的电
15、子数为 式中为热电子的平均热运动速度， 为电子有效质量。 于是电子从半导体越过势垒向金属发射所形成的电流密度为 与此同时电子从金属向半导体中发射的电流密度为,（4-24）,（4-25）,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,总电流密度为 导带有效状态密度为 ，代入 、 ，得到热电子发射理论 的电流电压关系,（4-27）,（4-26）,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,其中 称为有效里查森常数，它是在电子向真空中发射时的里查森常数中，用半导体 电子的有效质量代替自由电子质量而得到的。代入有关常数，最后得到的单位为 ，其数值依赖于有效质量，对于N型硅和P型硅，分别为 110和32；对于N型和P
16、型 ，分别为8和74。,（4-28）,（4-29）,（4-30）,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,其中 称为有效里查逊常数，它是在电子向真空中发射时的里查逊常数中，用半导体 电子的有效质量代替自由电子质量而得到的。代入有关常数，最后得到的单位为 ，其数值依赖于有效质量，对于N型硅和P型硅，分别为 110和32；对于N型和P型 ，分别为8和74。,（4-27）,（4-28）,（4-30）,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,当肖特基势垒被施加反向偏压 时，将（4-24）式中的 换成 即可得到反向偏压下 的电流电压关系。于是， 结在正反两种偏压下的电流电压关系可以统一用下式 表示 称为理想
17、化因子，它是由非理想效应引起的。对于理想的肖特基势垒二极管， 两种肖特基二极管的实验 特性示于图4-7中。,（4-31）,（4-32）,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,使正向 曲线延伸至 ，可以求出参数 ，可以用它和（4-28）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 Si二极管得到 ， 二极管n=1.04。可见（4-27）式较好地适 于 , ,和 等常用半导体材料作成的肖特基势垒。以上分析说明，肖特基势垒电流基本上是由多子传导的，是一种多子器件。 值得指出的是，根据式（4-28），反向电流应为常数，这与实验数据出现偏差。 其原因之一是4.3 节中所指出的镜像
18、力作用。把 换成 ，则饱和电 流改为（4-33） 实验发现，用上述方程来描述肖特基势垒二极管的电流电压特性更为精确，特别 是对反向偏压情况的描述。,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,图4.7 和 肖脱基二极管正向电流密度与电压的对应关系,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,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。其中,（4-34）,（4-35）,在象硅这样的共价键半导体中 要比 小的多，结果是热离子发射电流通常远远大 于少数载流子电流,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,例：一个肖特基势垒二极管，
19、 ，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，假设 解：由图4-7求得 。由方程（4-28）,= =,于是,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,时，耗尽层宽度为设 （ ），则,因此,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,小结 概念：表面势、热电子、热载流子二极管、里查森常数、有效里查森常数 表面空间电荷区内载流子浓度表达式和半导体表面载流子浓度表达式：,（4-17）,（4-19）,（4-18）,（4-20）,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,小结 根据气体动力论给出了从半导体进入金属的电子流密度：式中 为热电子的平均热运动速度， 为电子有效质量。电流电压特性李查德杜师
20、曼（Richardson-dushman）方程给出了少子空穴电流并与多子电流作了比较，少子空穴电流可以忽略。,（4-32）,（4-31）,4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性,教学要求 掌握概念：表面势、热电子、热载流子二极管、里查森常数、有效里查森常数 导出表面空间电荷区内载流子浓度表达式和半导体表面载流子浓度表达式：（4-17）、（4-18）、（4-19）、（4-20） 导出电流电压特性李查德杜师曼（Richardson-dushman）方程（4-31）、（4-32） 结合例题，比较少子空穴电流与多子电流。 作业：4.5、4.6、4.7、4.10,4.5肖特基势垒二极管的结构,4.5肖特基
21、势垒二极管的结构,图4-8 实用的肖特基二极管结构： （a）简单接触，（b）采用金属搭接，（C）采用保护环二极管。,4.6金属绝缘体半导体肖特基二极管,4.6金属绝缘体半导体肖特基二极管,传导电流是由载流子隧道穿透氧化层所形成的：从导带边缘算起的平均势垒高度，以电子伏特为单位。氧化层厚度，以埃为单位。 的乘积无量纲，在一般情况下，若外加电压不变，薄氧化层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数载流子电流的比率的增长。结果是增加了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管等器件的性能。,（4-36）,4.6金属绝缘体半导体肖特基二极管,图4-9 结构
22、的能带图,4.7肖特基势垒二极管和P-N结二极管之间的比较,4.7肖特基势垒二极管和P-N结二极管之间的比较,肖特基势垒二极管是多子器件，P-N结二极管是少子器件。 （1）在肖特基势垒中，由于没有少数载流子贮存，因此肖特基势垒二极管适于高频和快速开关的应用。 （2）肖特基势垒上的正向电压降要比P-N结上的低得多。低的接通电压使得肖特基二极管对于钳位和限辐的应用具有吸引力。 （3）肖特基势垒的温度特性优于P-N结。 （4）噪声特性也优于P-N结。此外，肖特基势垒二极管制造工艺简单。,4.7肖特基势垒二极管和P-N结二极管之间的比较,4.7肖特基势垒二极管和P-N结二极管之间的比较,4.7肖特基势
23、垒二极管和P-N结二极管之间的比较,小结 肖特基势垒二极管是多子器件，与P-N结二极管相比具有高频、高速，低接通电压，低温度系数和低噪声的特点 肖特基势垒二极管制造工艺比P-N结二极管制造工艺简单得多。,4.7肖特基势垒二极管和P-N结二极管之间的比较,教学要求 了解与结型二极管相比肖特基势垒二极管的主要特点。 作业4.10,4.8肖特基势垒二极管的应用,4.8肖特基势垒二极管的应用,肖特基二极管的等效电路,Cd结电容，rs串联电阻。 （4-37）为二极管结电阻（扩散电阻）。,4.8肖特基势垒二极管的应用,一、肖特基势垒检波器或混频器由电磁学，复阻抗 当 时在 上的功率耗散和在结上的相等。式中
24、 称为截止频率。因为 ，所以有对于高频运用， 、 和 都应该很小。如果半导体具有高杂质浓度和高迁移率，是能够实现小的 。通过采用 材料，工作频率接近 看来是有可能的。,（4-39）,4.8肖特基势垒二极管的应用,肖特基势垒钳位晶体管,4.8肖特基势垒二极管的应用,当开关晶体管饱和时，集电结被正向偏置约达0.5V。若在肖特基二极管上的正向压降（一般为0.3V）低于晶体管基极集电极的开态电压，则大部分过量基极电流流过二极管，该二极管没有少数载流子贮存效应。因此，与单独的晶体管相比较，合成器件的贮存时间得到显著的降低。测得的贮存时间可以低于1ns。肖特基势垒钳位晶体管是按示于图4-13b的结构以集成
25、电路的形式实现的。铝在轻掺杂的N型集电区上能形成极好的肖特基势垒，并同时在重掺杂的P型基区上面形成优良的欧姆接触。这两种接触可以只通过一步金属化作成，无需额外的工艺。,4.8肖特基势垒二极管的应用,小结： 肖特基势垒二极管的等效电路。 由于肖特基势垒二极管具有高频、高速的优点，它们被应用于肖特基势垒检 波器或混频器和肖特基势垒钳位晶体管。 肖特基势垒检波器的截止频率定义为：随着频率升高在 上的功率耗散将增 加，当在 上的功率耗散和在结上的相等时的频率定义为截止频率。 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工作原理。,4.8肖特基势垒二极管的应用,教学要求 画出肖
26、特基势垒二极管的等效电路，说明各参数所代表的意义。 画出肖特基势垒钳位晶体管的电路图和集成结构示意图。 说明肖特基势垒钳位晶体管的工作原理。 作业：4.11,4.9欧姆接触：非整流的M-S结,4.9欧姆接触：非整流的M-S结,欧姆接触:定义为这样一种接触，它在所使用的结构上不会添加较大的寄生阻抗，且 不足以改变半导体内的平衡载流子浓度使器件特性受到影响。 考虑 的金属和N型半导体对。图14是它们在接触之前和接触后的能带图。,图4-14 的金属和N型半导体的接触的能带图：（a）接触之前，（b）接触之后处于平衡态,4.9欧姆接触：非整流的M-S结,图4-14 的金属和N型半导体的接触的能带图：（c
27、）在半导体一边加上负电压，（d）在半导体一边加上正电压,4.9欧姆接触：非整流的M-S结,可以看出在结处几乎不存在势垒，因此载流子可以自由地通过任一方向，结果，这种 M-S结是非整流的. 金属P型半导体： ：欧姆结：整流结 ：欧姆结,金属和重掺杂半导体之间形成欧姆接触：载流子可以隧道穿透而不是越过势垒。,4.9欧姆接触：非整流的M-S结,图4-15金属在 半导体上的接触的能带图和电流电压曲线,4.9欧姆接触：非整流的M-S结,金属P型半导体： ：欧姆结：整流结 ：欧姆结 画出了金属N型半导体（ ）的能带图根据能带图解释了欧姆结的形成。 由于表面态的存在金属和半导体的欧姆接触只是理想情况。 一种实际可行的方法是使用金属和重掺杂半导体来形成欧姆接触。 金属和重掺杂半导体之间形成欧姆接触的物理机制是载流子可以隧道穿透而不是越过势垒。,小结,4.9欧姆接触：非整流的M-S结,画出能带图说明 金属P型半导体： ：欧姆结：整流结 ：欧姆结 画出能带图说明金属和重掺杂半导体之间形成欧姆接触。,教学要求,
