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1、第四章 金屬 半導(dǎo)體結(jié) 引言 金屬 半導(dǎo)體形成的冶金學(xué)接觸叫做 金屬 半導(dǎo)體結(jié) （ M-S結(jié)）或金屬半導(dǎo)體接 觸。把須狀的金屬觸針壓在半導(dǎo)體晶體上或者在高真空下向半導(dǎo)體表面上蒸鍍大面 積的金屬薄膜都可以實(shí)現(xiàn)金屬 半導(dǎo)體結(jié)，前者稱為 點(diǎn)接觸 ，后者則相對(duì)地叫做 面 接觸 。金屬 半導(dǎo)體接觸出現(xiàn)兩個(gè)最重要的效應(yīng)：其一是整流效應(yīng)，其二是歐姆效 應(yīng)。前者稱為整流接觸，又叫做整流結(jié)。后者稱為歐姆接觸，又叫做非整流結(jié)。 金屬 半導(dǎo)體結(jié)器件是應(yīng)用于電子學(xué)的最古老的固態(tài)器件。 1874年布朗（ Brawn）就提出了金屬與硫化鉛晶體接觸間具有不對(duì)稱的導(dǎo)電特性。 19

2、06年皮卡德（ Pickard）獲得了硅點(diǎn)接觸整流器專利。 1907年皮爾斯（ Pierce）提出，在各種半導(dǎo)體上濺射金屬可以制成整流二極管。 二十年代出現(xiàn)了鎢硫化鉛點(diǎn)接觸整流器和氧化亞銅整硫器。 1931年肖特基 (Schottky)等人提出 M-S接觸處可能存在某種“勢(shì)壘”的想法。 1932年威爾遜（ Wilson）等用量子理論的隧道效應(yīng)和勢(shì)壘的概念解釋了 M-S接觸的整 流效應(yīng)。 引言 1938年肖特基和莫特（ Mott）各自獨(dú)立提出電子以漂移和擴(kuò)散的方式越過(guò)勢(shì)壘的觀 點(diǎn)。 同年，塔姆（ Tamm）提出表面態(tài)的概念。 1947年巴丁（ Bard

3、ein）提出巴丁勢(shì)壘模型。 由于點(diǎn)接觸二極管的重復(fù)性很差， 50年代，在大多數(shù)情況下它們已由 PN結(jié)二極管所 代替。 到 70年代，采用新的半導(dǎo)體平面工藝和真空工藝來(lái)制造具有重復(fù)性的金屬 半導(dǎo)體 接觸，使金屬 半導(dǎo)體結(jié)器件獲得迅速的發(fā)展和應(yīng)用。 非整流結(jié)不論外加電壓的極性如何都具有低的歐姆壓降而且不呈整流效應(yīng)。這種接 觸幾乎對(duì)所有半導(dǎo)體器件的研制和生產(chǎn)都是不可缺少的部分，因?yàn)樗邪雽?dǎo)體器件 都需要用歐姆接觸與其它器件或電路元件相連接。 概念 ：同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)、金半結(jié)、歐姆接觸 同質(zhì)結(jié)：同材料 PN結(jié) 異質(zhì)結(jié)：不同材料 PN結(jié) 金半結(jié)：金屬與半導(dǎo)體接觸（肖特基勢(shì)壘二

4、極管 ） 歐姆接觸：沒(méi)有整流效應(yīng)的接觸 功函數(shù)：電子溢出表面吸收的最小能量。 0mF me E E 金屬的功函數(shù)： 0sF se E E 半導(dǎo)體的功函數(shù)： 0 c c F sE E E E c F nsEE 電子親和能 4.1肖特基勢(shì)壘 4.1肖特基勢(shì)壘 一、 肖特基勢(shì)壘的形成（考慮金屬與 N-半導(dǎo)體） 半導(dǎo)體功函數(shù) 金屬的功函數(shù) 半導(dǎo)體的電子親和勢(shì)。 假設(shè)半導(dǎo)體表面沒(méi)有表面態(tài)，接觸是理想的，半導(dǎo)體能帶直到表面都是平直的。 自建電勢(shì)差 肖特基勢(shì)壘高度

5、 或 (體電勢(shì) ) 其中 mqSq Sq mq S 0 （ 4-1-1） （ 4-1-3） d C T C nTFcn N NV n NlVqEEV ln （ 4-1-4） sm 0 nb V 0 smb xqq （ 4-1-2） 4.1肖特基勢(shì)壘 二、加偏壓的肖特基勢(shì)壘 正偏壓：在半導(dǎo)體上相對(duì)于金屬加一負(fù)電壓 。 半導(dǎo)體 金屬之間的電勢(shì)差減少為 ， 變成 ， 反偏壓：正電壓 加于半導(dǎo)體上。 勢(shì)壘被提高到 （ 圖 4-2c）。 （ a

6、 耗 盡 層耗 盡 層 ） 耗 盡 層耗 盡 層 （ b ） V V0 0q 0()qV RV )( 0 RVq 圖 4-2 肖特基勢(shì)壘的能帶圖 （ a） 未加偏壓 （ b） 加有正向偏壓 （ c） 加有反向偏壓 qV bq RqV 0()qV 0q b q bq 4.1肖特基勢(shì)壘 對(duì)于均勻摻雜的半導(dǎo)體，類似于 結(jié)，在空間電荷區(qū)解 Poisson方程 可得空間電荷區(qū)寬度： NP 21002 d R qN VkW （ 4-1-5） 結(jié)電容 ： AV Nqk W AkC R d 21 0 00 2 （ 4-1-6） 或

7、 02 0 2 21 Rd VANqkC （ 4-1-7） 4.1肖特基勢(shì)壘 與 P-N結(jié)情形一樣，可以給出 與 的關(guān)系曲線以得到直線關(guān)系 （圖 4-3）。從中可以計(jì)算出自建電勢(shì)和半導(dǎo)體的摻雜濃度。 21C RV 圖 4-3 鎢 硅和鎢 砷化鎵的二極管 1/C2與外加電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系 1 0 1 2 3 4 0 2 4 6 8 10 12 14 1/ C 2 （ cm 2 /F ） 2 10 15 V R （ V ） 4.1肖特基勢(shì)壘 例題： 從圖 4-3計(jì)算硅肖特基二極管的施主濃度、自建電勢(shì)和勢(shì)壘高度。 解 利用（ 4-

8、1-7）式 ，寫(xiě)成 在圖 4-3中電容是按單位面積表示的，因此 。我們求得 時(shí)： ， 因此 22 0 2 0 2 0 1 2 1 2 C V AqkCd Vd AqkN RR d 1A VVR 1 2 1 5 2 1 51 6 1 0 2 1 1 0 . 6 1 0RC V V C ， 時(shí) ， 16 2 2 152 1 2.17 10 ( ) 4.6 101 RV V F c m C 4.1肖特基勢(shì)壘 由于從圖 4-3有 ，所以有 24.0106.2 108.2l

9、n026.0ln 15 19 d c Tn N NVV V4.00 64.024.04.00 nb V 4.1肖特基勢(shì)壘 小結(jié) 金屬 半導(dǎo)體接觸出現(xiàn)兩個(gè)最重要的效應(yīng)：整流效應(yīng)和歐姆效應(yīng) 。 前者稱為整流接 觸 ， 又叫做整流結(jié) 。 后者稱為歐姆接觸 ， 又叫做非整流結(jié) 。 金屬與 N型半導(dǎo)體接觸如果金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)則將形成肖特基勢(shì)壘 。 畫(huà)出了熱平衡情況下的肖特基勢(shì)壘能帶圖 。 半導(dǎo)體空間電荷層自建電勢(shì)為 肖特基勢(shì)壘高度為 或 sm 0 smb xqq nb V 0 d C T C nTFcn N NV n Nl

10、VqEEV ln 4.1肖特基勢(shì)壘 小結(jié) 畫(huà)出了加偏壓的的肖特基勢(shì)壘能帶圖 ， 根據(jù)能帶圖解釋了肖特基勢(shì)壘二極管的整流 特性 。 由于金屬中具有大量的電子 ， 偏壓情況下金屬費(fèi)米能級(jí)不變 ， 因此 不變 不變亦可從公式 （ 4-3） 看出 解 Poisson方程可得肖特基勢(shì)壘的空間電荷區(qū)寬度 式中 為半導(dǎo)體的摻雜濃度， 為反向偏壓。 bq bq 21002 d R qN VkW dN R V 4.1肖特基勢(shì)壘 小結(jié) 肖特基勢(shì)壘結(jié)電容 或 與 P-N結(jié)情形一樣 ， 可以由 與 的關(guān)系曲線求

11、出自建電勢(shì)和半導(dǎo)體的摻雜 情況 。 AV Nqk W AkC R d 21 0 00 2 02 0 2 21 Rd VANqkC 21C RV 4.2界面態(tài)對(duì)勢(shì)壘高度的影響 4.2界面態(tài)對(duì)勢(shì)壘高度的影響 由 （ 4-1-2）式所確定的勢(shì)壘高度，往往與根據(jù) C V曲線測(cè)量所得到的 不一致。這是因?yàn)樵趯?shí)際的肖特基二極管中，在界面處晶格的斷裂產(chǎn) 生大量能量狀態(tài)，稱為 界面態(tài)或表面態(tài) ，位于禁帶內(nèi)。界面態(tài)通常按能量 連續(xù)分布，并可用一中性能級(jí) 表征。 若 與費(fèi)米能級(jí)對(duì)準(zhǔn)，則凈表 面電荷為零。在實(shí)際的接觸中， 時(shí)，界面態(tài)的凈電荷為正，

12、類似 于施主。這些正電荷和金屬表面的負(fù)電荷所形成的電場(chǎng)在金屬和半導(dǎo)體之 間的微小間隙 中產(chǎn)生電勢(shì)差，所以耗盡層內(nèi)需要較少的電離施主以達(dá) 到平衡。 0E 0E 0E FE bq 4.2界面態(tài)對(duì)勢(shì)壘高度的影響 4-4 被表面態(tài)鉗制的費(fèi)米能級(jí) 4.2界面態(tài)對(duì)勢(shì)壘高度的影響 結(jié)果是，自建電勢(shì)被顯著降低如圖（ 4-4a）， 并且，根據(jù)式（ 4-1-3）， 勢(shì)壘高度 也被降低。從圖 4-4（ a） 看到，更小的 使 更近 。與 此類似，若 ，則在界面態(tài)中有負(fù)電荷，并使 增加，還是使 和 接近（圖 4-4b

13、）。 因此，界面態(tài)的電荷具有負(fù)反饋效應(yīng)，它趨向于 使 和 接近。若界面態(tài)密度 很大， 則費(fèi)米能級(jí)實(shí)際上被鉗位 在 （稱為 費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng) ），而 變成與金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)無(wú) 關(guān)。 b FE 0E 0E FE b FE 0E FE 0E b 0E bq 4.2界面態(tài)對(duì)勢(shì)壘高度的影響 表 4-1 以電子伏特為單位的 N型半導(dǎo)體上的肖特基勢(shì)壘高度 4.3鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響 4.3鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響 圖 4-5 鏡像力降低金屬 半導(dǎo)體勢(shì)壘 如圖 4.5（ c） 所示 。 可見(jiàn)原來(lái)的理

14、想肖特基勢(shì)壘的電子能量在 處下降 ， 也就是 說(shuō)使肖特基勢(shì)壘高度下降 。 這就是肖特基勢(shì)壘的鏡像力降低現(xiàn)象 ， 又叫做 肖特基效應(yīng) ， 如圖 4-5所示 。 0 x 4.3鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響 三、 鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響 一、鏡像力降低肖特基勢(shì)壘高度（肖特基效應(yīng)）： 鏡象力引起的 電子電勢(shì)能為 其中邊界條件取為 : 時(shí) ， 和 時(shí) ， 。 如圖 4.5（ b） 所示 。 20 2 2 0 2 1624 xk q xk qF xk qF d

15、 xxE x 0 2 1 16)( x 0 x E （ 4-3-1） （ 4-3-2） 1 0E 4.3鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響 將原來(lái)的理想肖特基勢(shì)壘近似地看成是線性的 ， 因而界面附近的導(dǎo)帶底勢(shì)能曲線寫(xiě)做 其中 為表面附近的電場(chǎng) ， 等于勢(shì)壘區(qū) 最大電場(chǎng) （ 包括內(nèi)建電場(chǎng)和偏壓電場(chǎng) ） 。 總勢(shì)能為 xqxE )(2 xqxkqxExExE 0 2 21 16)( （ 4-3-3） （ 4-3-4） 4.3鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響 2 2 0 2 0 0 0 16 16 16 m m m q q kx q

16、 kx q x k 二、勢(shì)壘降低的大小和發(fā)生的位置 ： 設(shè)勢(shì)壘高度降低的位置發(fā)生在 處，勢(shì)壘高度降低值為 。 mx bq 令 ， 由 （ 4-3-4） 式得到 0 dx xdE （ 4-3-5） 2 0 () 16 qE x q xkx 4.3鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響 由于 故 大電場(chǎng)下，肖特基勢(shì)壘被鏡 像 力降低很多。 mxE m m b xqxk qq 0 2 16 00 4 216 kqxxkqx m m mb （ 4-3-6） cmV510 cmV1710 ,6,12.0 nm

17、xevq mb nmxevq mb 1,2.1 4.3鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響 鏡 像 力使肖特基勢(shì)壘高度降低的 前提 是金屬表面附近的半導(dǎo)體導(dǎo)帶要 有電子存在 。 所以在測(cè)量勢(shì)壘高度時(shí) ， 如果測(cè)量方法與電子在金屬和半導(dǎo)體間的輸 運(yùn)有關(guān) ， 則所得結(jié)果是 ；如果測(cè)量方法只與耗盡層的空間電荷有 關(guān)而不涉及電子的輸運(yùn) （ 例如電容方法 ） ， 則測(cè)量結(jié)果不受鏡像力影響 。 bb 4.3鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響 空穴也產(chǎn)生鏡像力 ， 它的作用是使半導(dǎo)體能帶的價(jià)帶頂附近向上彎曲 ， 如圖 4-6所示 ， 但它不象導(dǎo)帶底那樣有極值 ， 結(jié)果使接觸處的能帶變

18、窄 。 FM E 圖 4 - 6 鏡像力對(duì)半導(dǎo)體能帶的影響 4.3鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響 小結(jié) 肖特基效應(yīng)：鏡像力使理想肖特基勢(shì)壘的電子能量在下降 ， 也就是使肖特基勢(shì)壘高 度下降 。 這種效應(yīng)叫做肖特基效應(yīng) 。 作為一種近似把理想肖特基勢(shì)壘半導(dǎo)體勢(shì)壘區(qū)電子能量看做是線性的： 根據(jù)總能量 和圖 4.5c解釋了肖特基效應(yīng) 。 xqxE )(2 xqxkqxExExE 0 2 21 16)( 4.3鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響 小結(jié) 計(jì)算了肖特基勢(shì)壘的降低和總能量最大值發(fā)生的位置： 016 m qx k 04 b q k 4.4肖特

19、基勢(shì)壘二極管的電流電壓特性 4.4肖特基勢(shì)壘二極管的電流電壓特性 熱電子和 熱載流子二極管 ：當(dāng)電子來(lái)到勢(shì)壘頂上向金屬發(fā)射時(shí)，它們的能量比 金屬電子高出約 。進(jìn)入金屬之后它們?cè)诮饘僦信鲎惨越o出這份多余的能量之前， 由于它們的等效溫度高于金屬中的電子，因而把這些電子看成是熱的。由于這個(gè)緣故， 肖特基勢(shì)壘二極管有時(shí)被稱為熱載流子二極管。這些載流子在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)和金 屬電子達(dá)到平衡 ，這個(gè)時(shí)間一般情況小于 一、空間電荷區(qū)中載流子濃度的變化 對(duì)于非簡(jiǎn)并化情況，導(dǎo)帶電子濃度和價(jià)帶空穴濃度為 ns1.0 bq KTEE i KTEE i Fi iF enp en

20、n （ 4-5-1） 4.4肖特基勢(shì)壘二極管的電流電壓特性 設(shè)半導(dǎo)體內(nèi)本征費(fèi)米能級(jí)為 ，熱平衡時(shí)半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子濃度為 表面空間電荷區(qū)內(nèi)，本征費(fèi)米能級(jí)為 則空間電荷區(qū)中載流子濃度為 （ 4-5-2） 0iE KTEE i KTEE i Fi iF enp enn 0 0 0 0 )()( 0 xqExE ii （ 4-5-3） TVxKTxq enenxn )(0)(0)( TVxKTxq epepxp )(0)(0)( （ 4-5-4） （ 4-5-5） 4.4肖特基勢(shì)壘二極管的電流電壓特性 在半導(dǎo)體與金

21、屬界面處 稱為表面勢(shì)。 取半導(dǎo)體內(nèi)為電勢(shì)零點(diǎn)，則表面勢(shì) =- 二、電流電壓特性李查德杜師曼（ Richardson-dushman） 方程 在 M-S 界面 （ 4-5-6） （ 4-5-7） Ts Vs enn 0 Ts Vs epp 0 s s 0 Ts Vs enn 0 4.4肖特基勢(shì)壘二極管的電流電壓特性 （ 4-5-9） Tb TTn T V c VVV c V s eN eeN enn 0 0 0 Tb VcS eNn 即 當(dāng)有外加電壓 時(shí) V Tb VVcS eNn

22、 （ 4-5-10） 4.4肖特基勢(shì)壘二極管的電流電壓特性 由氣體動(dòng)力論 ， 單位時(shí)間入射到單位面積上的電子數(shù)即進(jìn)入金屬的電子數(shù)為 式中 為熱電子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度 ， 為電子有效質(zhì)量 。 于是電子從半導(dǎo)體越過(guò)勢(shì)壘向金屬發(fā)射所形成的電流密度為 與此同時(shí)電子從金屬向半導(dǎo)體中發(fā)射的電流密度為 （ 4-5-11） thSvn4 1 m kTv th 8 m b 4 TVVc thSM qN vJe b 4 TVc thMS qN vJe （ 4-5-12） 4.4肖特基勢(shì)壘二極管的電流電壓特性 總電流密度為 導(dǎo)帶有效狀態(tài)

23、密度為 ， 代入 、 ， 得到熱電子發(fā)射理 論的電流 電壓關(guān)系 （ 4-5-14） 1 4 TTbC VVVth MSSM ee vqN JJJ （ 4-5-13） 323*22 hKTmN C CN thv 1 1 0 2 T TTb VV VVV eJ eeTRJ 4.4肖特基勢(shì)壘二極管的電流電壓特性 其中 稱為有效里查森常數(shù) ， 它是在電子向真空中發(fā)射時(shí)的里查森常數(shù)中 ， 用半導(dǎo)體 電子的有效質(zhì)量代替自由電子質(zhì)量而得到的 。 代入有關(guān)常數(shù) ， 最后得到 的單位為 ， 其數(shù)值依賴于有

24、效質(zhì)量 ， 對(duì)于 N型硅和 P型硅 ， 分別為 110和 32；對(duì)于 N型和 P型 ， 分別為 8和 74。 （ 4-5-15） Tb VeTRJ 20 * 32*4* hqKmR （ 4-5-16） （ 4-5-17） R 22 cmKA GaAs 2200* * 1 2 0 *R R m m m m A c m K 4.4肖特基勢(shì)壘二極管的電流電壓特性 當(dāng)肖特基勢(shì)壘被施加反向偏壓 時(shí) ， 將 （ 4-5-14） 式中的 換成 即可得到 反向偏壓下的電流 電壓關(guān)系 。 于是 ， 結(jié)在正反兩種偏壓下的電流 電壓關(guān)系

25、可以統(tǒng)一用下式表示 稱為理想化因子 ， 它是由非理想效應(yīng)引起的 。 對(duì)于理想的肖特基勢(shì)壘二極管 ， 兩種肖特基二極管的實(shí)驗(yàn) 特性示于圖 4-7中 。 （ 4-5-18） （ 4-5-19） V RV SM 10 TnVVeJJ 10 TnVVeII n 1n VI RV 4.4肖特基勢(shì)壘二極管的電流電壓特性 圖 4.7 和 肖 脫 基二 極 管正向 電 流密度 與電壓 的 對(duì)應(yīng)關(guān) 系 SiW GaAsW 4.4肖特基勢(shì)壘二極管的電流電壓特 性 使正向 曲線延伸至 ， 可以求出參數(shù)

26、 ， 可以用它和 （ 4-5-15） 式一起來(lái)求出勢(shì)壘高度 。 理想化因子可由半對(duì)數(shù)曲線的斜率計(jì)算出來(lái) 。 對(duì)于 Si二極管得到 ， 二極管 n=1.04。 可見(jiàn) （ 4-5-14） 式較好地適 于 , ,和 等常用半導(dǎo)體材料作成的肖特基勢(shì)壘 。 以上分析說(shuō)明 ， 肖特基勢(shì)壘電流基本上是由多子傳導(dǎo)的 ， 是一種多子器件 。 值得指出的是 ， 根據(jù)式 （ 4-5-15） ， 反向電流應(yīng)為常數(shù) ， 這與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差 。 其原因之一是 4.3 節(jié)中所指出的鏡像力作用 。 把 換成 ， 則飽和電 流改為 （

27、 4-5-20） 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) ， 用上述方程來(lái)描述肖特基勢(shì)壘二極管的電流電壓特性更為精確 ， 特別 是對(duì)反向偏壓情況的描述 。 VI 0V 0J 02.1n GaAs Ge Si GaAs b bb Tbb VeTRJ 20 * 4.4肖特基勢(shì)壘二極管的電流電壓特性 三、少數(shù)載流子電流 空穴從金屬注入到半導(dǎo)體中形成電流。這個(gè)電流實(shí)際上是半導(dǎo)體價(jià)帶頂附近的電子流 向金屬費(fèi)米能級(jí)以下的空狀態(tài)而形成的。 其中 10 TVVpp eII kTE pd Vcp p ge LN NNq A DI 0 （ 4-5-21） （ 4-5-22） 在象硅 這樣 的共

28、價(jià) 鍵 半 導(dǎo) 體中 要比 小的多， 結(jié) 果是 熱 離子 發(fā) 射 電 流通常 遠(yuǎn)遠(yuǎn) 大 于少 數(shù)載 流子 電 流 . b gE 4.4肖特基勢(shì)壘二極管的電流電壓特性 例：一個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管， ，計(jì)算勢(shì)壘高度和耗盡層寬度。比較多數(shù)載 流子電流和少數(shù)載流子電流，假設(shè) 解： 由圖 4-7求得 。由方程（ 4-5-15） 31610 cmN d sp 610 50 105.6 J 2cmA = = Tb V 0 2 ln JTR 5 2 105.6 3 0 01 1 0ln0 2 6.0 V67.0 VNNVV

29、d C Tn 17.0ln 于是 VV nb 50.017.067.00 4.4肖特基勢(shì)壘二極管的電流電壓特性 時(shí)，耗盡層寬度為 設(shè) （ ），則 因此 0RV scmD p 236 時(shí)31610 cmN d cmDL ppp 3106 211 163 210192 0 10210106 )105.1(36106.1 cmA NL nqDJ dp ip p 6 11 5 0 0 102.3 102 105.6 PJ J 5002 2 .6 1 0 d kW c m qN 4.4肖特基勢(shì)壘二極管

30、的電流電壓特性 小結(jié) 概念：表面勢(shì) 、 熱電子 、 熱載流子二極管 、 里查森常數(shù) 、 有效里查森 常數(shù) 表面空間電荷區(qū)內(nèi)載流子濃度表達(dá)式和半導(dǎo)體表面載流子濃度表達(dá)式： TVxKTxq enenxn )(0)(0)( TVxKTxq epepxp )(0)(0)( Ts Vs enn 0 Ts Vs epp 0 4.4肖特基勢(shì)壘二極管的電流電壓特性 小結(jié) 根據(jù)氣體動(dòng)力論給出了從半導(dǎo)體進(jìn)入金屬的電子流密度： 式中 為熱電子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度 ， 為電子有效質(zhì)量 。 電流電壓特性 李查德杜師曼 （ Richardson-dushman） 方

31、程 給出了少子空穴電流并與多子電流作了比較 ， 少子空穴電流可以忽略 。 thSvn4 1 m kTv th 8 m 10 TnVVeJJ 10 TnVVeII 4.5肖特基勢(shì)壘二極管的結(jié)構(gòu) 4.5肖特基勢(shì)壘二極管的結(jié)構(gòu) N 2 SiO M （ a ） 耗盡層 N N N 2 SiO M （ b ） N N 2 SiO M （ c ） p 保護(hù)環(huán) 圖 4-8 實(shí)用的肖特基二極管結(jié)構(gòu)： （ a） 簡(jiǎn)單接觸 ， （ b） 采用金屬搭接 ， （ C） 采用保護(hù)環(huán)二極管 。 4.6金屬 絕緣體 半導(dǎo)體肖

32、特基二極管 4.6金屬 絕緣體 半導(dǎo)體肖特基二極管 圖 4-9 結(jié)構(gòu)的能帶圖 MIS 4.6金屬 絕緣體 半導(dǎo)體肖特基二極管 傳導(dǎo)電流是由載流子隧道穿透氧化層所形成的： 從導(dǎo)帶邊緣算起的平均勢(shì)壘高度，以電子伏特為單位。 氧化層厚度，以埃為單位。 的乘積無(wú)量綱， 在一般情況下 ， 若外加電壓不變 ， 薄氧化層只減少多數(shù)載流子電流 ， 但不降低少 數(shù)載流子電流 。 這導(dǎo)致少數(shù)載流子電流與多數(shù)載流子電流的比率的增長(zhǎng) 。 結(jié)果是增加 了少數(shù)載流子的注入比 ， 這有利于改善諸如太陽(yáng)電池和發(fā)光二極 管等器件的 性能 。 nK TqVKTqx

33、 eeeTARI b 212* （ 4-6-1） x 21x 4.7肖特基勢(shì)壘二極管和 P-N結(jié)二極管 之間的比較 4.7肖特基勢(shì)壘二極管和 P-N結(jié)二極管之間的比較 肖特基勢(shì)壘二極管是多子器件 ， P-N結(jié)二極管是少子器件 。 （ 1） 在肖特基勢(shì)壘中 ， 由于沒(méi)有少數(shù)載流子貯存 ， 因此肖特基勢(shì)壘二極管適于高頻和快 速開(kāi)關(guān)的應(yīng)用 。 （ 2） 肖特基勢(shì)壘上的正向電壓降要比 P-N結(jié)上的低得多 。 低的接通電壓使得肖特基二極 管對(duì)于 鉗 位和限輻的應(yīng)用具有吸引力 。 （ 3） 肖特基勢(shì)壘的溫度特性優(yōu)于 P-N結(jié) 。 （ 4） 噪聲特性也 優(yōu)于 P-N結(jié) 。 此外 ， 肖

34、特基勢(shì)壘二極管制造工藝簡(jiǎn)單 。 4.7肖特基勢(shì)壘二極管和 P-N結(jié)二極管之間的比較 4.7肖特基勢(shì)壘二極管和 P-N結(jié)二極管之間的比較 4.7肖特基勢(shì)壘二極管和 P-N結(jié)二極管之間的比較 小結(jié) 肖特基勢(shì)壘二極管是多子器件，與 P-N結(jié)二極管相比具有高頻、高速，低接通 電壓，低溫度系數(shù)和低噪聲的特點(diǎn) 肖特基勢(shì)壘二極管制造工藝比 P-N結(jié)二極管制造工藝簡(jiǎn)單得多。 4.8肖特基勢(shì)壘二極管的應(yīng)用 4.8肖特基勢(shì)壘二極管的應(yīng)用 肖特基二極管的等效電路 s r d C d r 圖 4 - 12 肖特基二極管的 等效電路 Cd結(jié)電容 ， rs串聯(lián)電阻 。

35、 （ 4-8-1） 為二極管結(jié)電阻（擴(kuò)散電阻）。 dI dVr d 4.8肖特基勢(shì)壘二極管的應(yīng)用 一、 肖特基勢(shì)壘檢波器或混頻器 由電磁學(xué)，復(fù)阻抗 當(dāng) 時(shí)在 上的功率耗散和在結(jié)上的相等。式中 稱 為截止頻率。 因?yàn)? ，所以有 對(duì)于高頻運(yùn)用， 、 和 都應(yīng)該很小。如果半導(dǎo)體具有高雜質(zhì)濃度和高遷移率，是能 夠?qū)崿F(xiàn)小的 。通過(guò)采用 材料，工作頻率接近 看來(lái)是有可能的。 222 (1 ) 1 r j cr cr Z 2221 d

36、dc d s rC rr Sr c dr Sr sdd c rrC 2 2 1 （ 4-8-3） dC dr sr Sr GaAs GHz100 4.8肖特基勢(shì)壘二極管的應(yīng)用 肖特基勢(shì)壘鉗位晶體管 4.8肖特基勢(shì)壘二極管的應(yīng)用 當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管飽和時(shí) ， 集電結(jié)被正向偏置約達(dá) 0.5V。 若在肖特基二極管上的 正向壓降 （ 一般為 0.3V） 低于晶體管基極 集電極的開(kāi)態(tài)電壓 ， 則大部分過(guò)量基 極電流流過(guò)二極管 ， 該二極管沒(méi)有少數(shù)載流子貯存效應(yīng) 。 因此 ， 與單獨(dú)的晶體 管相比較 ， 合成器件的貯存時(shí)間得到顯著的降低 。 測(cè)得的貯存時(shí)間可以低于 1ns。 肖特基勢(shì)壘鉗位

37、晶體管是按示于圖 4-13b的結(jié)構(gòu)以集成電路的形式實(shí)現(xiàn)的 。 鋁在輕摻雜的 N型集電區(qū)上能形成極好的肖特基勢(shì)壘 ， 并同時(shí)在重?fù)诫s的 P型基 區(qū)上面形成優(yōu)良的歐姆接觸 。 這兩種接觸可以只通過(guò)一步金屬化作成 ， 無(wú)需額 外的工藝 。 4.8肖特基勢(shì)壘二極管的應(yīng)用 小結(jié)： 肖特基勢(shì)壘二極管的等效電路 。 由于 肖特基勢(shì)壘二極管具有高頻 、 高速的優(yōu)點(diǎn) ， 它們被應(yīng)用于 肖特基勢(shì)壘檢 波器或混頻器和肖特基勢(shì)壘鉗位晶體管 。 肖特基勢(shì)壘檢波器的截止頻率定義為：隨著頻率升高 在 上的功率耗散將增 加 ， 當(dāng)在 上的功率耗散和在結(jié)上的相等時(shí)的頻率定義為 截止頻率 。

38、肖特基勢(shì)壘 鉗 位晶體管的電路圖 、 集成結(jié)構(gòu)示意圖 。 肖特基勢(shì)壘 鉗 位晶體管的工作原理 。 Sr Sr 4.9歐姆接觸：非整流的 M-S結(jié) 4.9歐姆接觸：非整流的 M-S結(jié) 歐姆接觸 :定義為這樣一種接觸，它在所使用的結(jié)構(gòu)上不會(huì)添加較大的寄生阻抗，且 不足以改變半導(dǎo)體內(nèi)的平衡載流子濃度使器件特性受到影響。 考慮 ：歐姆結(jié) ：整流結(jié) ：歐姆結(jié) ：整流結(jié) < ：歐姆結(jié) 畫(huà)出了金屬 N型半導(dǎo)體 （ < ） 的能帶圖根據(jù)能帶圖解釋了 歐姆結(jié)的形成 。 由于表面態(tài)的存在金屬和半導(dǎo)體的歐姆接觸只是理想情況 。 一種實(shí)際可行的方法是使用金屬和重?fù)诫s半導(dǎo)體來(lái)形成歐姆接觸 。 金 屬 和重 摻雜 半 導(dǎo) 體之 間 形成 歐 姆接 觸 的物理機(jī)制是 載 流子可以隧道穿透而不是越 過(guò) 勢(shì)壘 。 Sm S S S m m m m S 小結(jié)