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琮员经
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1 第四章金属半导体结

2 一名词概念术语问题

3 整流接触整流结欧姆接触非整流结肖特基势垒高度 : 金属 - 半导体结从金属到半导体的势垒肖特基效应 : 镜象力使势垒降低的效应画出金属和 N 型半导体在形成理想接触前后的能带图并说明肖特基势垒的形成解 : 图图 4.1 为金属和型半导体在形成接触之前的理想的能带图其中金属功函数 N 大于半导体的功函数为半导体的电子亲和势图中假设了半导体表面 φφ m 没有表面态 φs χ S, 其能带直到表面都是平直的用某种方法把金属和半导体接触, 由于 <, 电子将从半导体渡越到金属使半导体表面出现未被补偿的离化施主的正电荷 φ φ S m, 金属表面则积累负电荷, 同时二者的费米能级拉平电中性要求金属表面的负电荷与半导体表面的正电荷必须量值相等符号相反金属表面的负电荷是多余出来的导电电子, 只占据很薄的一层约.5 m m

4 由于半导体中施主浓度比金属中电子浓度低几个数量级, 所以半导体中的正电荷将占据相对较厚的一个薄层, 即在半导体表面形成了空间电荷层和 P N 结一样, 空间电荷的电场将阻止半导体中电子流入金属达到热平衡时形成稳定的自建电场和自建电势, 半导体的能带向上弯曲, 形成了阻止半导体中电子向金属渡越的势垒肖特基势垒二极管和 P N结二极管之间的比较 : 基本区别在于肖特基势垒二极管是多子器件, P N 结二极管是少子器件因此 :1 由于没有少数载流子贮存, 贮存时间可忽略不计, 肖特基势垒二极管对于高频和快速开关的应用来说是理想的 ; 由于多数载流子电流远高于少数载流子电流, 肖特基势垒中的饱和电流远高于具有同样面积的 P N结二极管, 因此, 对于同样的电流, 在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箝位和限辐的应用具有吸引力 ; 3 多子数目起伏小, 因此肖特基二极管噪声小 ;4 温度特性好

5 画出加偏压肖特基势垒能带图, 说明肖特基势垒二极管的整流特性解 : 若在半导体上相对于金属加一负电压, 则半导体金属之间的电势差减少为 ψ, 半导体中的电子能级相对金属的向上移动, 势垒高度则由 ψ 变成 ψ, 而 φb基本上保持不变图 4-b 在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, 这是正向偏压条件, 能够流过大的电流如果是正电压 R 加于半导体上, 这便是反向偏压条件图 4-c, 则势垒被提高到 ψ + R, 同样 φb基本上保持不变提高的势垒阻挡半导体中的电子移向金属, 电流很小图 4-c 图 4.

6 画出集成结构示意图说明肖特基势垒钳位晶体管的工作原理图 4.13 解 : 由于肖特基势垒具有快速开关响应, 因而可以把它和 NPN 晶体管的集电极基极结并联连接, 以减小晶体管的贮存时间当晶体管饱和时, 集电结被正向偏置约达.5 若在肖特基二极管上的正向压降一般为.3 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肖特基势垒箝位晶体管是按示于图 4-13b 的结构以集成电路的形式实现的铝在轻掺杂的 N 型集电区上而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

7 为什么金属与重掺杂半导体接触可以形成欧姆接触? 19 3 答 : 若半导体为重掺杂例如, 具有 1 cm 或更高的杂质浓度时, 则空间电荷层宽度变得如此之薄, 以至载流子可以隧道穿透而不是越过势垒由于在势垒每边的电子都可能隧道穿透到另一边, 因此实现了在正反向偏压下基本上对称的 I 曲线因此势垒是非整流的, 并有一低电阻

8 二重要推导

9 导出肖特基二极管 I- 特性解 : 对于非简并化情况, 导带电子浓度和价带空穴浓度如下 : p i i E E K F E E K i i F 在半导体内部, 设本征费米能级为体内部的载流子浓度为 p E E K F i i i i E E K i F E i, 则热平衡时半导

10 在表面附近的空间电荷区内电子的附加电势能为, 本征费米能级为 ψ 本征费米能级为 E E i i ψ 在空间电荷区中载流子浓度为 E E i i ψ K ψ ψ K p p p ψ ψ 在半导体与金属界面处 p p p s s ψ

11 ψ s 其中是半导体的表面势取半导体内为电势零点, 则半导体表面势 ψ s ψ, ψ 为空间电荷区自建电势差于是在 M S界面, 电子浓度为即当有外加电压时, s ψ ψ N S N c φ c b φb N c b S N c φb

12 由气体动力论, 单位时间入射到单位面积上的电子数即进 1 入金属的电子数为 S v th 8k 4, 式中 v th 为热电子的平均热 πm 运动速度, m 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 J SM N v c th b 与此同时也有电子从金属向半导体中发射, 由于金属一侧的势垒高度不受偏压的影响, 所以这个电流密度是 φ b 4 J MS N c 4 v th b

13 总电流密度为 J J SM J MS N v 1 C th φb 4 导带有效状态密度为 * 3 N 3 C πm K h, 代入 NC vth, 得到热电子发射理论的电流电压关系 J R φ b J 1 J R * 1 其中 R πm φ b 3 * 4 * K h

14 R 当肖特基势垒被施加反向偏压时, 将 4-4 式中的或式中换成 R 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 M S 电压关系可以统一用下式表示 J I 称为理想化因子 1 J I 1

15 证明镜像力使肖特基势垒高度降低 : ε Δφ b ε m + ε m 16π kε 4π kε m 4 其中 m m 16 Kε π ε 证明 : 半导体中距金属表面为的电子受到的镜像力为电势能为 F E 1 4πkε 16 πkε 1 Fd 16πkε 其中边界条件取为时, E 和时, E

16 对于肖特基势垒, 这个势能将迭加到理想肖特基势垒能带图上, 将原来的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为 ε E ε 其中为表面附近的电场, 等于势垒区最大电场总势能为 E E E 1 + ε 3 16πkε 设势垒高度降低的位置发生在处, 势垒高度降低值为 Δ φ b 令 de, 由 3 式得到 d m

17 由于故 ε 16 π k ε m ε 16π kε 4 E m m 16 kε Δφ π b m ε 16πkε m ε ε φ b ε m + ε m 16πkε πkε Δ 5 m 4 m

18 三重要图表图

19 四重要习题

20 4-3. 画出金属在 P 型半导体上的肖脱基势垒的能带结构图, 忽略表面态, 指出 a φ m > φ s 和 b φ m < φs两种情形是整流节还是非整流结, 并确定自建电势和势垒高度解 : 如下图所示 φ > φ A. m s

21 φ < φ B. m s

22 4-1.a 推导出在肖特基二极管中作为电流密度的函数表达式假设少数载流子可以忽略 d b 倘若在 3K 时, 一般地.5 以及 φb. 7, 估计温度系数解 :a J R * d φb * φb p p 1 R p p J φb l p R * d d J φb l p d d R * + J R * 1 J φb J φb φb p p 3 φb R * R * p

23 + φb + b 由 a 的结论知道, 温度系数为 b 可不作 d d φ + φb / C b

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<4D F736F F D BCB6B0EBB5BCCCE5C6F7BCFECEEFC0EDC6DAC4A9CAD4CCE2A3A841BEEDA3A9> 4 级半导体器件物理期末试题 (A 卷 ) ( 共 8 题, 满分 1 分, 考试时间 :15 分钟可以使用简单计算器 ) 1 1 分证明小注入情况下在 PN 结空间电荷区边界上有 ( x ) e ( x ) e 成立 15 分共基极连接双极结型晶体管 (J): (1) 5 分画出电流分量示意图 () 5 分写出各个极电流表达式 (3) 5 分写出各个极电流之间满足的关系式 3 15 分