3、s，這種費(fèi)米能級的差別意味著在金屬內(nèi)部和半導(dǎo)體導(dǎo)帶相對應(yīng)的那部分能級上，電子的密度大于半導(dǎo)體導(dǎo)帶的電子密度，于是當(dāng)兩者接觸時(shí)，電子便從金屬向半導(dǎo)體擴(kuò)散,結(jié)果使金屬表面帶正電，N型半導(dǎo)體表面附近形成電子的積累層，從而表現(xiàn)出高導(dǎo)電的特性，也即低阻值、無整流的特性，其積累層的能帶如圖1所示。,5,圖1 積累層的能帶圖,6,同樣的分析方法可知,當(dāng)金屬和P型半導(dǎo)體接觸時(shí),若P型半導(dǎo)體的逸出功小于金屬的逸出功，便在P型半導(dǎo)體表面附近形成空穴的積累層，從而也表現(xiàn)出高導(dǎo)電、無整流的特性。這樣看來，選用適當(dāng)?shù)慕饘俨牧?，就有可能得到歐姆接觸。 值得注意的是，在上面的分析中,我們都基于一種簡化的理想狀態(tài)，即將金屬和
4、半導(dǎo)體相接觸所出現(xiàn)的四種情況只決定于逸出功，實(shí)際上，表面勢壘的形成還和半導(dǎo)體表面能態(tài)的性質(zhì)及密度有關(guān)。,7,像Ge、Si、GaAs這些最常用的半導(dǎo)體材料，一般都有很高的表面態(tài)密度，無論是N型材料或P型材料與金屬接觸都形成勢壘，而與金屬功函數(shù)關(guān)系不大。 因此，不能用選擇金屬材料的辦法來獲得歐姆接觸。目前，在生產(chǎn)實(shí)際中，主要是利用隧道效應(yīng)的原理在半導(dǎo)體上制造歐姆接觸。,8,因?yàn)橹負(fù)诫s的P-N結(jié)可以產(chǎn)生顯著的隧道電流。金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)，如果半導(dǎo)體摻雜濃度很高，則勢壘區(qū)寬度變得很薄，電子也要通過隧道效應(yīng)貫穿勢壘產(chǎn)生相當(dāng)大的隧道電流，甚至超過熱電子發(fā)射電流而成為電流的主要成分。當(dāng)隧道電流占主導(dǎo)地位時(shí)，
5、它的接觸電阻可以很小，可以用作歐姆接觸。因此，半導(dǎo)體重?fù)诫s時(shí)，它與金屬的接觸可以形成接近理想的歐姆接觸。,9,接觸電阻定義為零偏壓下的微分電阻，即,（1）,運(yùn)用量子力學(xué)的運(yùn)算，最后得到,（2）,由式（2）看到，摻雜濃度越高，接觸電阻Rc越小。因而，半導(dǎo)體材料重?fù)诫s時(shí)，可得到歐姆接觸。,10,制作歐姆接觸最常用的方法是用重?fù)诫s的半導(dǎo)體與金屬接觸，常常是在N型或P型半導(dǎo)體上制作一層重?fù)诫s區(qū)后再與金屬接觸，形成金屬-N+-N或金屬-P+-P結(jié)構(gòu)。由于有N+、P+層，金屬的選擇就比較自由。形成金屬與半導(dǎo)體接觸的方法也有多種，例如蒸發(fā)、濺射、電鍍等等。,11,肖特基二極管,利用金屬-半導(dǎo)體整流接觸特性制
6、成的二極管稱為肖特基勢壘二極管，它和P-N結(jié)二極管具有類似的電流-電壓關(guān)系，即它們都有單向?qū)щ娦浴?12,肖特基二極管的結(jié)構(gòu),圖2為三種常用的肖特基勢壘中的一種，在n+Si襯底上的n型外延膜經(jīng)過清潔處理及熱氧化，隨后，用標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)開出窗口，并通過在真空系統(tǒng)中進(jìn)行蒸發(fā)或?yàn)R射以沉淀金屬。金屬圖形由另一步光刻確定。不幸的是，由于陡峭的邊沿以及在Si-SiO2界面存在正的固定電荷Qss，使得這種簡單的結(jié)構(gòu)不能提供理想的肖特基勢壘特性。,13,這些條件在靠近周邊的半島體耗盡區(qū)建立一高電場，導(dǎo)致在拐角處有過量電流。這種拐角效應(yīng)除了產(chǎn)生軟的反向特性和低擊穿電壓之外還造成低劣的噪音特性。,14,,圖2 實(shí)
7、用的肖特基二極管結(jié)構(gòu)：簡單接觸,15,使金屬搭接在氧化層上可以消除周邊效應(yīng)，如圖3所示。這時(shí)在金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）電容下邊的耗盡區(qū)得到修整，引起軟擊穿的陡沿被消除。搭接區(qū)應(yīng)當(dāng)很??；不然附加的電容會(huì)降低二極管的高頻特性。,16,圖3 實(shí)用的肖特基二極管結(jié)構(gòu)：采用金屬搭接,17,為了得到理想的I-V特性，在圖4所示的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)中采用了一種附加的p+擴(kuò)散環(huán)來降低邊緣效應(yīng)。由于搭接金屬結(jié)構(gòu)比較簡單，通常在集成電路中采用它更為合適。,18,圖4 實(shí)用的肖特基二極管結(jié)構(gòu)：采用保護(hù)環(huán)二極管,19,肖特基二極管的特點(diǎn),肖特基勢壘二極管和P-N結(jié)二極管具有類似的電流-電壓關(guān)系，即它們都有單向?qū)щ娦?；?/p>
8、前者又有區(qū)別于后者的以下顯著特點(diǎn)。 首先，就載流子的運(yùn)動(dòng)形式而言，P-N結(jié)正向?qū)〞r(shí)，由P區(qū)注入N區(qū)的空穴或由N區(qū)注入P區(qū)的電子，都是少數(shù)載流子，它們先形成一定的積累，然后靠擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成電流。,20,這種注入的非平衡載流子的積累成為電荷存貯效應(yīng)，它嚴(yán)重地影響了P-N結(jié)的高頻性能。而肖特基二極管的正向電流，主要是由半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子進(jìn)入金屬形成的。它是多數(shù)載流子器件。例如對于金屬和N型半導(dǎo)體的接觸，正向?qū)〞r(shí)，從半導(dǎo)體中越過界面進(jìn)入金屬的電子并不發(fā)生積累，而是直接成為漂移電流而流走。因此，肖特基二極管比P-N結(jié)二極管有更好的高頻特性。,21,其次，對于相同的勢壘高度，肖特基二極管的JsD或Js
9、T要比P-N結(jié)的反向飽和電流Js大得多。換言之，對于同樣的使用電流，肖特基二極管將有較低的正向?qū)妷?，一般?.3V左右。,22,肖特基二極管的應(yīng)用,因?yàn)橛幸陨系奶攸c(diǎn)，肖特基二極管在高速集成電路，微波技術(shù)等許多領(lǐng)域都有很多重要應(yīng)用。 例如，由于肖特基勢壘具有快速開關(guān)響應(yīng)，因而可以把它和N-P-N晶體管的集電極-基極結(jié)并聯(lián)連接，如圖5 a所示，以減小晶體管的存貯時(shí)間。,23,,圖5 肖特基箝位晶體管：（a）電路圖 （b）集成結(jié)構(gòu),24,當(dāng)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-集電極的開態(tài)電壓，則大部分過量基
10、極電流流過二極管，該二極管沒有少數(shù)載流子存貯效應(yīng)。因此，與單獨(dú)的晶體管向比較，和成器件的存貯時(shí)間得到顯著的降低。肖特基勢壘箝位晶體管是按圖5 b所示的結(jié)構(gòu)以集成電路的形式實(shí)現(xiàn)的。,25,又例如，摻雜濃度約為51015cm-3的N型外延硅襯底與PtSi接觸，經(jīng)鈍化，制成的金屬-半導(dǎo)體雪崩二極管，能產(chǎn)生連續(xù)的微波震蕩，并且能在大功率下工作。 此外，也可以用金屬-半導(dǎo)體勢壘作為控制柵極，制成肖特基勢壘柵場效應(yīng)晶體管。也可以用作肖特基勢壘栓波器或混頻器等等。,26,第二章 金屬半導(dǎo)體結(jié),2-1 金--半接觸 分可為: 1.摻雜濃度較底,這時(shí)表現(xiàn)出結(jié)具有單向?qū)щ娦?--肖特基二極管 2.摻雜濃度較高-
11、--金--半接觸---歐姆接觸,27,金--半結(jié)在實(shí)際中應(yīng)用 伏安特性與PN結(jié)相似,但又有許多特點(diǎn),在微波技術(shù),高速集成電路等有重要應(yīng)用 一般半導(dǎo)體都要利用金屬電極輸入和書出電流,要求金屬和半導(dǎo)體形成連良好的歐姆接觸. 特別是在超高頻,大功率器件歐姆接觸具有設(shè)計(jì)和制造中的一個(gè)重要關(guān)鍵.,28,2-2 肖特基勢壘及能帶圖 2-2-1 金半分立能級圖 2-2-2金半接觸及能帶圖 金半接觸的平衡態(tài) 到達(dá)到平衡，都要Ef的統(tǒng)一 與半導(dǎo)體PN結(jié)能帶原理完全一致 隨著耗盡層的耗盡， Ef逐步靠攏,EfS,從高到低到平衡為止 半導(dǎo)體電子到金屬,29,接觸勢差：0= m- s,金半接觸勢壘 q b= q (m
12、- ) 在金屬一側(cè)勢壘高度為qb 在半導(dǎo)體一側(cè)勢壘高度為q0 半導(dǎo)體空間電荷區(qū)的寬度為W(耗盡層的寬度) 金屬中的電子要進(jìn)入半導(dǎo)體,必須越過勢壘qb，又稱qb為肖特基勢壘。,30,2-2-3 外加偏壓的情況,正偏 半導(dǎo)體相對金屬 即半導(dǎo)體加負(fù)電壓 正偏條件下 半導(dǎo)體一側(cè)的勢壘減小為0-v 正偏條件下的能帶圖與半導(dǎo)體擔(dān)保突變結(jié)類似,Efs上移，分裂 勢壘高度降低,Efs,31,電流方向?yàn)榘雽?dǎo)體流向金屬，對均勻摻雜半導(dǎo)體來說，肖特基勢壘的空間電荷區(qū)寬度類似單邊突變結(jié)情況：,反偏情況下條件下能帶圖 反偏的耗盡層寬度,,,Efs,Efm,反偏條件下，勢壘高度增加，0+VR和W增加 半導(dǎo)體加正，金屬
13、加負(fù)，此情況與PN結(jié)類似。 可做1/C2與VR曲線 可求： 自建電場0（外推與橫軸的交點(diǎn)） 半導(dǎo)體濃度，斜率,32,2-2-4 半導(dǎo)體界面態(tài)及影響(平衡態(tài)),什么是界面態(tài)：二種材料接觸產(chǎn)生晶格不匹配，半導(dǎo)體表面處的晶格斷裂所產(chǎn)生的大量的能量狀態(tài),從能帶角度來說會(huì)產(chǎn)生新的能級，新的能態(tài)，通常位于半導(dǎo)體的禁帶區(qū)域.這些能量狀態(tài)為半導(dǎo)體的界面態(tài). 表面處晶格的斷裂產(chǎn)生大量的能量狀態(tài)，這些能量位于半導(dǎo)體的禁帶內(nèi)，呈連續(xù)分布，可用中性能級E0來表征，稱E0為表面態(tài)能級。,33,施主界面態(tài)當(dāng)E0Ef(統(tǒng)一) E0以下的表面能級為空穴。當(dāng)E0呈電中性時(shí)，屬界面態(tài)被占情況?？諔B(tài)表面態(tài)呈正電性。類似施主能級，
14、它起到了降低自建場作用。即q b q b,當(dāng)金屬和半導(dǎo)體形成接觸時(shí)，首先要和半導(dǎo)體的表面態(tài)中的電子平衡。,34, 當(dāng)E0 Ef,,E0,q0,Ef,qb,Ef,E0以上被電子占據(jù)（領(lǐng)） 呈負(fù)點(diǎn)性類似受主狀態(tài)，起到增強(qiáng)自建場的作用 即qb,+qb,使Ef趨向Eb,35,表面態(tài)能級在M-S中的效果a.在界面態(tài)密度高的情況下，它可以屏蔽金屬接觸的影響b.在qb中界面態(tài)處于支配作用，使Ef趨向于E0。通常半導(dǎo)體中E0位于1/3Eg的位置。C.M-S結(jié)中的qb 在密度界面態(tài)情況下，幾乎與者的功函數(shù)無關(guān)，而基本上是由半導(dǎo)體的性質(zhì)決定。（界面態(tài)和它的密度大小有關(guān)）,36,2-3 M-S的I-V特性,2
15、-3-1 金-半二極管 I-V特性的理論介紹 通常正偏電壓為主 正偏情況下，M-S結(jié)的電流是有幾種不同的機(jī)制產(chǎn)生的，因而可以用不同的理論來研究VE 設(shè)電子的速度VD擴(kuò)散接近勢壘區(qū)，并以速度VE從半導(dǎo)體一側(cè)流向金屬一側(cè)。 分兩種情況： 若VE VD，認(rèn)為擴(kuò)散機(jī)制是主要形式； 若VE <
16、2-3-2 真空中金屬的“熱電子發(fā)射”理論1.金屬 真空界面的勢壘用功函數(shù)qm當(dāng)金屬中獲得能量從表面逃逸至真空稱為“熱電子發(fā)射”現(xiàn)象。2.設(shè)金屬中的電子能量在E到E+dE之間，電子數(shù)為dn，能級的態(tài)密度為N(E)， 狀態(tài)密度N(E)借用半導(dǎo)體導(dǎo)帶低的狀態(tài)密度，其分布形式符合費(fèi)米分布函數(shù)f(E).,39,f(E)N(E),n,這些電子可能越過勢壘成為熱電子,費(fèi)米分布函數(shù),40,3,熱電子發(fā)射形成的電流 I=q*A*Vx*N(A為MS結(jié)面積; Vx為熱電子垂直金屬表面上的速度分量;N為在能量dE內(nèi)的電子數(shù)) *把對能量積分轉(zhuǎn)為對速度的積分: 利用 得到對積分的結(jié)果:,,41,上式在平
17、衡時(shí),得到: 理查遜杜什曼公式 其中R= =120A/k2cm2 理查遜常數(shù) * 應(yīng)用:將此類金屬在真空中熱電子發(fā)射用于金-半系統(tǒng).,42,2-2-3 M-S結(jié)的I-V方程1,確認(rèn)“熱電子發(fā)射”為Ms的電流主要機(jī)制?？蓪⒔饘僭谡婵罩械臒犭娮影l(fā)射討論結(jié)果用于M-S結(jié)。2,對于正偏條件下的M-S結(jié)，其電流是電子流向金屬。,只不過注意式中m用s來代替。 式中的m應(yīng)用半導(dǎo)體電子的有效質(zhì)量me 來代替。,43,3，反偏條件下， Ims=-Io 4，總的電流表達(dá)式：,I-V特性方程,I隨外加電壓變化呈指數(shù)上升 反偏時(shí)電流很小 I-V特性類似于PN結(jié)二極管 I-V特性方程也
18、滿足I-V特性圖,44,2-3 M-S接觸問題的討論2-3-1 鏡像力對金屬勢壘高度的影響1，什么是鏡像力 電荷-q位于金屬表面x處，從其電力線行為可看作在-x處有一電荷+q（鏡像電荷）作用而產(chǎn)生的庫侖力，稱此為“鏡像力”。 鏡像力作用F=-q=2，鏡像力對電勢的影響： 由于上述鏡像力對電勢有影響， 會(huì)使肖特基勢壘高度降低，見右圖。,真空中,稱這個(gè)正電荷為鏡電荷，這個(gè)力為庫侖力； 有力的作用就要做功； 可形成這樣的表達(dá)式：,鏡像勢能曲線,45,2-3-2 肖特基勢壘二極管1，SBD的基本結(jié)構(gòu)2，SBD結(jié)構(gòu)的問題 a) 發(fā)現(xiàn)邊緣區(qū)域易擊穿（與電力線分布有關(guān)，電力線集中，會(huì)導(dǎo)致邊緣
19、區(qū)域易擊穿）； b) 改進(jìn)設(shè)計(jì) ，分散原來周邊集中的電力線； c) P+保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)：利用半導(dǎo)體PN結(jié)原理，采用P+ 環(huán)，改善周邊效應(yīng)，但工藝復(fù)雜。,濃度高低影響很大,耗盡層,電極,金屬,P+,P+,46,2-3-3 SBD與PN結(jié)的對比1， SBD是多子工作的器件（應(yīng)用于高度開關(guān)，影響高頻特性）； PN結(jié)是少子工作的器件。2，兩者勢壘高度相同。在相同的電流條件下，SBD的電壓低得多。3，SBD工作速度比PN結(jié)快，因?yàn)镻N結(jié)有存儲(chǔ)效應(yīng)。4，二者溫度效應(yīng)不同， PN結(jié)正向溫度比SBD高0.4mv/ 。,47,2-3-4 應(yīng)用1，在集成電路中，IC對工作速度有較高的要求。雙極數(shù)字IC采用SBD
20、箱位，晶體管的VBC的電位低為0.4V，使晶體管的工作速度得到提高。稱這種晶體管為肖特基勢壘箱位晶體管，由其構(gòu)成的電路稱為STTL電路。2，高頻應(yīng)用 例：高頻濾波器 射頻功率對線路的作用，希望讓rd吸收工作功率，而不希望讓rs耗散射頻功率。 所以，希望rs 上功耗要小，即rs rd， 即f，Vd; 若Wf ,則Cd ,Vs .,,c,e,,,rs 串聯(lián),rd,并聯(lián),48,2-4 非整流的M-S結(jié)（歐姆接觸）2-4-1 歐姆接觸的定義 對M-S結(jié)能滿足不產(chǎn)生明顯的整流效應(yīng)，不改變半導(dǎo)體內(nèi)平衡載流子濃度，更不產(chǎn)生明顯的寄生電阻，具有對稱的I-V特性的接觸，稱為歐姆接觸。,I,V,49,
21、歐姆接觸對材料的要求 N型半導(dǎo)體 2，M-S接觸能帶,50,MS能帶在界面處不在出現(xiàn) ，而是在半導(dǎo)體一側(cè) 在 以下，是載流子（電子）能夠自由地通過界面，即獲得線性的I-V關(guān)系，滿足接觸的要求。,51,3，P型半導(dǎo)體,52,MS邊界接觸處，無空穴的勢壘。半導(dǎo)體一側(cè) 出現(xiàn)在 之上。載流子能無阻擋通過界面，滿足了I-V現(xiàn)行要求，即滿足接觸。 要做好接觸、金屬的選擇 在加正反偏壓時(shí)，只使體內(nèi)的能帶上下移動(dòng)，表面的結(jié)構(gòu)不會(huì)改變。,53,,,,,反,,,正,8，外加電壓時(shí)歐姆接觸的界面處的能帶的結(jié)構(gòu)不會(huì)改變，能使半導(dǎo)體的體內(nèi)能帶整體上移或下移。 圖為N型半導(dǎo)體的歐姆接觸,54,2-4-3 實(shí)際的歐姆接
22、觸 1，理想的歐姆接觸僅是一種近似情況，即N型或P型半導(dǎo)體即使能夠滿足 及 要求，而界面處總存在“寄生電阻效應(yīng)” 2， 實(shí)際的歐姆接觸對半導(dǎo)體的摻雜濃度有一定的要求，即在高摻雜條件下，界面寄生電阻才能基本消除。,55,,,工藝過程,,接觸電阻,,理論上,多數(shù)載流子有一通道,無阻擋.而實(shí)際上總有阻擋.,工藝上,用重?fù)诫s通過,56,實(shí)際上的歐姆接觸的電流機(jī)制：隧道穿透 實(shí)現(xiàn)w很小 理論上 實(shí)際上起指導(dǎo)作用,,w,S,M,隧道穿透,57,金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖,58,金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖 金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù),59,金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖 接觸電勢差,60,金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖 接觸電勢差,61,金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖 接觸電勢差,62,金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖 接觸電勢差,63,金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖 接觸電勢差,64,金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖 表面態(tài)對接觸勢壘影響,65,金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖 表面態(tài)對接觸勢壘影響,66,
半導(dǎo)體器件物理第二章總結(jié).ppt
