1、金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结第九章第九章 金属半导体和半导体异质结金属半导体和半导体异质结第1页/共62页肖特基势垒二极管示意肖特基势垒二极管示意图图第2页/共62页性质上的特征性质上的特征金属N型半导体金属和n型半导体接触前的平衡态能带图第3页/共62页FBSFCsSCsMFmEEeVGaAsSiGeEENieVMgeVEE07.4,01.4,13.4:,)(15.5)(66.300（表面）从基本概念基本概念真空能级真空能级E0:电子完全脱离材料本身的束缚所需的最小能电子完全脱离材料本身的束缚所需的最小能量量功函数：从费米能级到真空能级的能量差功函数：从费米能级到真空能级
2、的能量差电子亲和势：真空能级到价带底的能量差电子亲和势：真空能级到价带底的能量差金属的功函数金属的功函数半导体的亲和势半导体的亲和势半导体的功函数半导体的功函数第4页/共62页画能带图的步骤：画能带图的步骤：1.画出包括表面在内的各部分的能带图画出包括表面在内的各部分的能带图2.使图沿垂直方向与公共的使图沿垂直方向与公共的E0参考线对齐，并通过参考线对齐，并通过 公共界面把图连起来公共界面把图连起来3.不改变半导体界面能带的位置，向上或向下移动不改变半导体界面能带的位置，向上或向下移动 半导体体内部分的能带，直到半导体体内部分的能带，直到EF在各处的值相等在各处的值相等4.恰当地把界面处的恰当
3、地把界面处的Ec,Ei,Ev和体内和体内Ec,Ev,Ei连接起连接起来来5.去除不重要的去除不重要的第5页/共62页 m s 两个方向都存在两个方向都存在电子流动的势垒电子流动的势垒第6页/共62页 B0=m-金属中的电子向半导体中运动存在势垒金属中的电子向半导体中运动存在势垒 B0叫做叫做肖特基势垒肖特基势垒。半导体导带中的电子向金属中移动存在势半导体导带中的电子向金属中移动存在势垒垒Vbi，Vbi就是半导体内的内建电势就是半导体内的内建电势nBFBFCBbiEEV00)(第7页/共62页外加电压后，金属和半导体的费米能级不再相同，外加电压后，金属和半导体的费米能级不再相同，二者之差等于外加
4、电压引起的电势能之差。二者之差等于外加电压引起的电势能之差。金属一边的势垒不随外加电压而变，即：金属一边的势垒不随外加电压而变，即：B0不不变。变。半导体一边，加正偏，势垒降低为半导体一边，加正偏，势垒降低为Vbi-Va反偏势垒变高为：反偏势垒变高为：Vbi+VR第8页/共62页正正偏偏反偏反偏第9页/共62页肖特基二极管：正偏金属的电势高于半导肖特基二极管：正偏金属的电势高于半导体体第10页/共62页 M s，整流接触，整流接触正偏，半导体势垒高度变低，电子从正偏，半导体势垒高度变低，电子从S注入注入M，形成净电流形成净电流I，I随随VA的增加而增加。的增加而增加。反偏：势垒升高，阻止电子从
5、反偏：势垒升高，阻止电子从S向金属流动，向金属流动，金属中的一些电子能越过势垒向半导体中运金属中的一些电子能越过势垒向半导体中运动，但这一反向电流很小。动，但这一反向电流很小。结论：结论：M s时，理想的时，理想的MS接触类似于接触类似于pn结结二极管、二极管、具有整流特性具有整流特性第11页/共62页整流接触整流接触欧姆接触欧姆接触7.1 金属和半导体接触及其能带图金属和半导体接触及其能带图第12页/共62页mgFMcVCVFMnsmFMCWEEEEEEEWEE）界面）（）（界面）（界面）(7.1 金属和半导体接触及其能带图金属和半导体接触及其能带图金属一边的势垒高度：金属一边的势垒高度：第
6、13页/共62页7.1 金属和半导体接触及其能带图金属和半导体接触及其能带图结论结论n形半导体形半导体p形半导体形半导体WmWs整流接触整流接触欧姆接触欧姆接触WmJS,第37页/共62页第38页/共62页第39页/共62页 2.两种二极管正偏时的特性也不同，肖特基二极管的开两种二极管正偏时的特性也不同，肖特基二极管的开启电压低于启电压低于pn结二极管的有效开启有效开启电压。结二极管的有效开启有效开启电压。3.二者的频率响应特性，即开关特性不同。二者的频率响应特性，即开关特性不同。pn结从正偏转向反偏时，由于正偏时积累的少数载流结从正偏转向反偏时，由于正偏时积累的少数载流子不能立即消除，开关速
7、度受到电荷存储效应的限制；子不能立即消除，开关速度受到电荷存储效应的限制；肖特基势垒二极管，由于没有少数载流子存储，可以肖特基势垒二极管，由于没有少数载流子存储，可以用于快速开关器件，开关时间在皮秒数量级，其开关用于快速开关器件，开关时间在皮秒数量级，其开关速度受限于结电容和串联电阻相联系的速度受限于结电容和串联电阻相联系的RC延迟时间延迟时间常数。工作频率可高达常数。工作频率可高达100GHz.而而pn结的开关时间纳结的开关时间纳秒数量级秒数量级第40页/共62页MS可以用来加快可以用来加快BJT的瞬态关断的瞬态关断过程。称为肖特基二极管的钳制。过程。称为肖特基二极管的钳制。它的作用是，当它
8、的作用是，当BJT在开启状态进在开启状态进入饱和模式时，入饱和模式时，MS二极管导通并二极管导通并把把CB结钳制到相对低的正偏压下，结钳制到相对低的正偏压下，这种方法利用了这种方法利用了MS能比能比pn结的导结的导通电压低这一特点。这样通电压低这一特点。这样CB结可结可以维持在一个相对较低的电压上，以维持在一个相对较低的电压上，在在BJT中可以有最少的电荷储存。中可以有最少的电荷储存。所以关断的时间显著减少。所以关断的时间显著减少。肖特基二极管钳制肖特基二极管钳制npnBJT的电路图的电路图第41页/共62页电子从电子从S流向流向M没有势垒，反之，仅有一小的势垒没有势垒，反之，仅有一小的势垒第
9、42页/共62页 M0,就会有很大的正向电流就会有很大的正向电流 反偏：电子从金属流向半导体会遇到小的势垒，反偏反偏：电子从金属流向半导体会遇到小的势垒，反偏 电压电压VR大于零点几伏，势垒就会变为大于零点几伏，势垒就会变为0，在相对，在相对 较小的反偏电压下，会有很大的电流。且电流较小的反偏电压下，会有很大的电流。且电流 不饱和不饱和 结论：结论：M s第45页/共62页第46页/共62页 欧姆接触的形成欧姆接触的形成在在MS接触下方半接触下方半导体的重掺杂有助导体的重掺杂有助于欧姆接触的形成于欧姆接触的形成穿过势垒型接触的发穿过势垒型接触的发射电流随掺杂的变化射电流随掺杂的变化第47页/共
10、62页遂道效应遂道效应金属半导体接触的金属半导体接触的空间电荷层宽度与空间电荷层宽度与半导体掺杂浓度的半导体掺杂浓度的平方根成反比，随平方根成反比，随着掺杂浓度的增加，着掺杂浓度的增加，遂穿效应增强遂穿效应增强212dbisneNVx第48页/共62页半导体异质结半导体异质结两种不同半导体材料接触形成的结两种不同半导体材料接触形成的结反型异质结：由导电类型相反的两种不同的半导体反型异质结：由导电类型相反的两种不同的半导体 单晶材料所形成的异质结如单晶材料所形成的异质结如p-Ge和和 n-GaAs 记为记为p-nGe-GaAs 如如p-nGe-Si,n-pGe-GaAs 同型异质结：导电类型相同
11、的两种半导体材料所形同型异质结：导电类型相同的两种半导体材料所形 成的异质结成的异质结.如如n-nGe-Si,p-p Ge-GaAs,p-pSi-GaP一般把禁带宽度较小的半导体材料写在前面。或者用大一般把禁带宽度较小的半导体材料写在前面。或者用大写字母表示较宽带写字母表示较宽带第49页/共62页窄带隙材料和宽带隙材料在接触前的能带窄带隙材料和宽带隙材料在接触前的能带图图第50页/共62页)()(pngngpVgngpCVpnCeEEEEEEEeE（由于由于p区和区和n区的电子亲和势和禁带宽度不同，区的电子亲和势和禁带宽度不同，使异质结在界面处的能带突变，使异质结在界面处的能带突变，EC和和
12、EV的的出现将阻碍载流子通过界面，这种对载流子出现将阻碍载流子通过界面，这种对载流子的限制作用是同质结中所没有的。的限制作用是同质结中所没有的。第51页/共62页第52页/共62页)ln()ln(lnln)()()()()()(0000cncppnocbivpvnnopvbipvpnvngCbivpFpvnFngngpnpbivnFngnnvpFpgppbisnspbiNNnnkTEeVNNppkTEeVpNkTpNkTEEeVEEEEEEeeVEEEeEEEeeVV还可换成导带的形式：1.内建电势内建电势第53页/共62页apdneNxpeNxn)（区：（区：3.泊松方程泊松方程)(xdxdE第54页/共62页第55页/共62页p-nGe-GaAs异质结的平衡能带图第56页/共62页9.19 nN异质结在热平衡状态下的理想能带图异质结在热平衡状态下的理想能带图第57页/共62页n-AlGaAs,n-GaAs异质结的导带边缘图第58页/共62页第59页/共62页第60页/共62页第61页/共62页感谢您的观看。感谢您的观看。第62页/共62页
