半导体器件物理描述.pptx

第四章第四章 金属金属半导体结半导体结 引言引言n金属金属半导体形成的冶金学接触叫做半导体形成的冶金学接触叫做金属金属半导体结半导体结（M-SM-S结）或金属半导体接结）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积的金属薄膜都可以实现金属半导体结，前者称为半导体结，前者称为点接触点接触，后者则相对地叫做，后者则相对地叫做面面接触接触。金属。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。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。n金属金属半导体结器件是应用于电子学的最古老的固态器件。半导体结器件是应用于电子学的最古老的固态器件。n18741874年布朗（年布朗（BrawnBrawn）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。）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。n19061906年皮卡德（年皮卡德（PickardPickard）获得了硅点接触整流器专利。）获得了硅点接触整流器专利。n19071907年皮尔斯（年皮尔斯（PiercePierce）提出，在各种半导体上溅射金属可以制成整流二极管。）提出，在各种半导体上溅射金属可以制成整流二极管。n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。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。n19311931年肖特基年肖特基(Schottky)(Schottky)等人提出等人提出M-SM-S接触处可能存在某种接触处可能存在某种“势垒势垒”的想法。的想法。n19321932年威尔逊（年威尔逊（WilsonWilson）等用量子理论的隧道效应和势垒的概念解释了）等用量子理论的隧道效应和势垒的概念解释了M-SM-S接触的整接触的整流效应。流效应。引言引言n19381938年肖特基和莫特（年肖特基和莫特（MottMott）各自独立提出电子以漂移和扩散的方式越过势垒的观）各自独立提出电子以漂移和扩散的方式越过势垒的观点。点。n同年，塔姆（同年，塔姆（TammTamm）提出表面态的概念。）提出表面态的概念。n19471947年巴丁（年巴丁（BardeinBardein）提出巴丁势垒模型。）提出巴丁势垒模型。n由于点接触二极管的重复性很差，由于点接触二极管的重复性很差，5050年代，在大多数情况下它们已由年代，在大多数情况下它们已由PNPN结二极管所结二极管所代替。代替。n到到7070年代，采用新的半导体平面工艺和真空工艺来制造具有重复性的金属年代，采用新的半导体平面工艺和真空工艺来制造具有重复性的金属半导体半导体接触，使金属接触，使金属半导体结器件获得迅速的发展和应用。半导体结器件获得迅速的发展和应用。n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。都需要用欧姆接触与其它器件或电路元件相连接。概念：同质结、异质结、金半结、欧姆接触n同质结：同材料PN结n异质结：不同材料PN结n金半结：金属与半导体接触（肖特基势垒二极管）n欧姆接触：没有整流效应的接触n功函数：电子溢出表面吸收的最小能量。金属的功函数：半导体的功函数：电子亲和能4.14.1肖特基势垒肖特基势垒4.1.1肖特基势垒肖特基势垒 一、一、肖特基势垒的形成（考虑金属与肖特基势垒的形成（考虑金属与N-N-半导体）半导体）半导体功函数半导体功函数 金属的功函数金属的功函数 半导体的电子亲和势。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。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。自建电势差自建电势差 肖特基势垒高度肖特基势垒高度 或或 (体电势体电势)其中其中（4-1-1）（4-1-3）（4-1-4）（4-1-2）4.14.1肖特基势垒肖特基势垒 二、加偏压的肖特基势垒二、加偏压的肖特基势垒n正偏压：在半导体上相对于金属加一负电压正偏压：在半导体上相对于金属加一负电压 。n半导体半导体金属之间的电势差减少为金属之间的电势差减少为 ，变成变成 ，n反偏压：正电压反偏压：正电压 加于半导体上。加于半导体上。n势垒被提高到势垒被提高到 （图图4-2c）。）。图图4-2 4-2 肖特基势垒的能带图肖特基势垒的能带图（a a）未加偏压未加偏压（b b）加有正向偏压加有正向偏压（c c）加有反向偏压加有反向偏压4.14.1肖特基势垒肖特基势垒 对于均匀掺杂的半导体，类似于对于均匀掺杂的半导体，类似于 结，在空间电荷区解结，在空间电荷区解Poisson方程方程可得空间电荷区宽度：可得空间电荷区宽度：（4-1-5）结电容结电容：（4-1-6）或或（4-1-7）4.14.1肖特基势垒肖特基势垒 与与P-NP-N结情形一样，可以给出结情形一样，可以给出 与与 的关系曲线以得到直线关系的关系曲线以得到直线关系（图（图4-3）。从中可以计算出自建电势和半导体的掺杂浓度。）。从中可以计算出自建电势和半导体的掺杂浓度。图图4-3钨钨 硅和钨硅和钨 砷化镓的二极管砷化镓的二极管1/C2与外加电压的对应关系与外加电压的对应关系 4.14.1肖特基势垒肖特基势垒 例题：例题：从图从图4-34-3计算硅肖特基二极管的施主浓度、自建电势和势垒高度。计算硅肖特基二极管的施主浓度、自建电势和势垒高度。解解 利用（利用（4-4-1-71-7）式）式 ，写成，写成 在图在图4-34-3中电容是按单位面积表示的，因此中电容是按单位面积表示的，因此 。我们求得。我们求得 时：时：，因此因此 4.14.1肖特基势垒肖特基势垒 由于从图由于从图4-34-3有有 ，所以有，所以有 4.14.1肖特基势垒肖特基势垒 小结小结 金金属属半半导导体体接接触触出出现现两两个个最最重重要要的的效效应应：整整流流效效应应和和欧欧姆姆效效应应。前前者者称称为为整整流流接接触，又叫做整流结。后者称为欧姆接触，又叫做非整流结。触，又叫做整流结。后者称为欧姆接触，又叫做非整流结。金属与金属与N 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。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。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半导体空间电荷层自建电势为肖特基势垒高度为肖特基势垒高度为 或或4.14.1肖特基势垒肖特基势垒 小结小结 画画出出了了加加偏偏压压的的的的肖肖特特基基势势垒垒能能带带图图，根根据据能能带带图图解解释释了了肖肖特特基基势势垒垒二二极极管管的的整整流流特性。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 不变亦可从公式（不变亦可从公式（4-34-3）看出）看出解解PoissonPoisson方程可得肖特基势垒的空间电荷区宽度方程可得肖特基势垒的空间电荷区宽度 式中式中 为半导体的掺杂浓度，为半导体的掺杂浓度，为反向偏压。为反向偏压。4.14.1肖特基势垒肖特基势垒 小结小结 肖特基势垒结电容肖特基势垒结电容或或与与P-NP-N结结情情形形一一样样，可可以以由由 与与 的的关关系系曲曲线线求求出出自自建建电电势势和和半半导导体体的的掺掺杂杂情情况。况。4.24.2界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响4.24.2界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响 由由（4-4-1-1-2 2）式所确定的势垒高度，往往与根据）式所确定的势垒高度，往往与根据C CV V曲线测量所得到的曲线测量所得到的 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，称为大量能量状态，称为界面态或表面态界面态或表面态，位于禁带内。界面态通常按能量连，位于禁带内。界面态通常按能量连续分布，并可用一中性能级续分布，并可用一中性能级 表征。表征。若若 与费米能级对准，则净表面电与费米能级对准，则净表面电荷为零。在实际的接触中，荷为零。在实际的接触中，时，界面态的净电荷为正，类似于施时，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。衡。4.24.2界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响 4-4 4-4 被表面态钳制的费米能级被表面态钳制的费米能级 4.24.2界面态对势垒高度的影响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（结果是，自建电势被显著降低如图（4-44-4a a），），并且，根据式（并且，根据式（4-4-1-1-3 3），），势垒高度势垒高度 也被降低。从图也被降低。从图4-44-4（a a）看到，更小的看到，更小的 使使 更近更近 。与。与此类似，若此类似，若 ，则在界面态中有负电荷，并使，则在界面态中有负电荷，并使 增加，还是使增加，还是使 和和 接近（图接近（图4-44-4b b）。）。因此，界面态的电荷具有负反馈效应，它趋向于使因此，界面态的电荷具有负反馈效应，它趋向于使 和和 接近。若界面态密度接近。若界面态密度 很大，很大，则费米能级实际上被钳位在则费米能级实际上被钳位在 （称为（称为费米能级钉扎效应费米能级钉扎效应），而），而 变成与金属和半导体的功函数无关。变成与金属和半导体的功函数无关。4.24.2界面态对势垒高度的影响界面态对势垒高度的影响 表表4-1 4-1 以电子伏特为单位的以电子伏特为单位的N N型半导体上的肖特基势垒高度型半导体上的肖特基势垒高度 4 4.3.3镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响 4 4.3.3镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响 图图4-5镜像力降低金属镜像力降低金属 半导体势垒半导体势垒 如如图图4.54.5（c c）所所示示。可可见见原原来来的的理理想想肖肖特特基基势势垒垒的的电电子子能能量量在在 处处下下降降，也也就就是是说说使使肖肖特特基基势势垒垒高高度度下下降降。这这就就是是肖肖特特基基势势垒垒的的镜镜像像力力降降低低现现象象，又又叫做叫做肖特基效应肖特基效应，如图，如图4-5所示。所示。4 4.3.3镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响 三、三、镜像力对势垒高度的影响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）：一、镜像力降低肖特基势垒高度（肖特基效应）：镜象力引起的镜象力引起的电子电势能为电子电势能为 其中边界条件取为其中边界条件取为:时，时，和和时，时，。如图。如图4.54.5（b b）所示。所示。（4-3-1）（4-3-2）4 4.3.3镜像力对势垒高度的影响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其中为表面附近的电场，等于势垒区为表面附近的电场，等于势垒区最大电场（包括内建电场和偏压电场）。总势能为最大电场（包括内建电场和偏压电场）。总势能为 （4-3-3）（4-3-4）4 4.3.3镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响二、势垒降低的大小和发生的位置二、势垒降低的大小和发生的位置：设势垒高度降低的位置发生在设势垒高度降低的位置发生在 处，势垒高度降低值为处，势垒高度降低值为 。令令 ，由（，由（4-3-44-3-4）式得到）式得到（4-3-5）4 4.3.3镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响由于由于 故故大电场下，肖特基势垒被镜大电场下，肖特基势垒被镜像像力降低很多。力降低很多。（4-3-6）4 4.3.3镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响 镜镜像像力力使使肖肖特特基基势势垒垒高高度度降降低低的的前前提提是是金金属属表表面面附附近近的的半半导导体体导导带带要要有有电子存在。电子存在。所所以以在在测测量量势势垒垒高高度度时时，如如果果测测量量方方法法与与电电子子在在金金属属和和半半导导体体间间的的输输运运有有关关，则则所所得得结结果果是是 ；如如果果测测量量方方法法只只与与耗耗尽尽层层的的空空间间电电荷荷有有关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。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 4.3.3镜像力对势垒高度的影响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，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，如图如图4-6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。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。FME 图4-6镜像力对半导体能带的影响 4 4.3.3镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响小结小结肖特基效应：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。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：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：根据总能量根据总能量 和图和图4.54.5c c解释了肖特基效应。解释了肖特基效应。4 4.3.3镜像力对势垒高度的影响镜像力对势垒高度的影响小结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：计算了肖特基势垒的降低和总能量最大值发生的位置：4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性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肖特基势垒二极管的电流电压特性 热电子和热电子和热载流子二极管热载流子二极管：当电子来到势垒顶上向金属发射时，它们的能量比金：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。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，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属电子达到平衡，这个时间一般情况小于，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对于非简并化情况，导带电子浓度和价带空穴浓度为 （4-5-1）4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性肖特基势垒二极管的电流电压特性 设半导体内本征费米能级为设半导体内本征费米能级为 ，热平衡时半导体内部的载流子浓度为，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则空间电荷区中载流子浓度为 （4-5-2）（4-5-3）（4-5-4）（4-5-5）4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性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在半导体与金属界面处 称为表面势。称为表面势。取半导体内为电势零点，则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（二、电流电压特性李查德杜师曼（Richardson-dushmanRichardson-dushman）方程方程 在在 M-S M-S 界面界面 （4-5-6）（4-5-7）4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性肖特基势垒二极管的电流电压特性 （4-5-9）即即当有外加电压当有外加电压 时时 （4-5-10）4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性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子数为由气体动力论，单位时间入射到单位面积上的电子数即进入金属的电子数为式中式中为热电子的平均热运动速度，为热电子的平均热运动速度，为电子有效质量。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与此同时电子从金属向半导体中发射的电流密度为 （4-5-11）（4-5-12）4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性肖特基势垒二极管的电流电压特性 总电流密度为总电流密度为导导带带有有效效状状态态密密度度为为 ，代代入入 、，得得到到热热电电子子发发射射理理论论的电流的电流电压关系电压关系 （4-5-14）（4-5-13）4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性肖特基势垒二极管的电流电压特性 其中其中 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。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，最后得到代入有关常数，最后得到 的单位为的单位为 ，其数值依赖于有效质量，对于其数值依赖于有效质量，对于N N型硅和型硅和P P型硅，分别为型硅，分别为110110和和3232；对于；对于N N型和型和P P型型 ，分别为，分别为8 8和和7474。（4-5-15）（4-5-16）（4-5-17）4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性肖特基势垒二极管的电流电压特性 当当肖肖特特基基势势垒垒被被施施加加反反向向偏偏压压 时时，将将（4-4-5-145-14）式式中中的的 换换成成 即即可可得得到到反向偏压下的电流反向偏压下的电流电压关系。电压关系。于是，于是，结在正反两种偏压下的电流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电压关系可以统一用下式表示 称为理想化因子，它是由非理想效应引起的。对于理想的肖特基势垒二极管，称为理想化因子，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两种肖特基二极管的实验 特性示于图特性示于图4-74-7中。中。（4-5-18）（4-5-19）4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性肖特基势垒二极管的电流电压特性图4.7和和 肖肖脱脱基二基二极极管正向管正向电电流密度流密度与与电压电压的的对应对应关关系系4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性肖特基势垒二极管的电流电压特性 使使正正向向 曲曲线线延延伸伸至至 ，可可以以求求出出参参数数 ，可可以以用用它它和和（4-4-5-155-15）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SiSi二极管得到二极管得到 ，二极管二极管n=1.04n=1.04。可见（。可见（4-4-5-145-14）式较好地适）式较好地适于于 ,和和 等常用半导体材料作成的肖特基势垒。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。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（值得指出的是，根据式（4-4-5-155-15），反向电流应为常数，这与实验数据出现偏差。），反向电流应为常数，这与实验数据出现偏差。其原因之一是其原因之一是4.3 4.3 节中所指出的镜像力作用。把节中所指出的镜像力作用。把 换成换成 ，则饱和电，则饱和电流改为流改为 （4-4-5-205-20）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。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肖特基势垒二极管的电流电压特性三、少数载流子电流三、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。向金属费米能级以下的空状态而形成的。其中其中（4-5-21）（4-5-22）在象硅在象硅这样的共价的共价键半半导体中体中 要比要比 小的多，小的多，结果是果是热离子离子发射射电流通常流通常远远大大 于少于少数数载流子流子电流流 .4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性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，例：一个肖特基势垒二极管，计算势垒高度和耗尽层宽度。比较多数载，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，假设流子电流和少数载流子电流，假设 解：解：由图由图4-74-7求得求得 。由方程（。由方程（4-4-5-155-15）=于是于是 4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性肖特基势垒二极管的电流电压特性 时，耗尽层宽度为时，耗尽层宽度为 设设 （），则），则 因此因此 4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性肖特基势垒二极管的电流电压特性小结小结 概概念念：表表面面势势、热热电电子子、热热载载流流子子二二极极管管、里里查查森森常常数数、有有效效里里查查森森常数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：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：4.4肖特基势垒二极管的电流电压特性肖特基势垒二极管的电流电压特性小结小结 根据气体动力论给出了从半导体进入金属的电子流密度：根据气体动力论给出了从半导体进入金属的电子流密度：式中式中 为热电子的平均热运动速度，为热电子的平均热运动速度，为电子有效质量。为电子有效质量。电流电压特性李查德杜师曼（电流电压特性李查德杜师曼（Richardson-dushman）方程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。4.5肖特基势垒二极管的结构肖特基势垒二极管的结构4.5肖特基势垒二极管的结构肖特基势垒二极管的结构 图图4-8实用的肖特基二极管结构：实用的肖特基二极管结构：（a）简单接触，（简单接触，（b）采用金属搭接，（采用金属搭接，（C）采用保护环二极管。采用保护环二极管。4.64.6金属金属绝缘体绝缘体半导体肖特基二极管半导体肖特基二极管4.6金属金属绝缘体绝缘体半导体肖特基二极管半导体肖特基二极管图图4-9结构的能带图结构的能带图 4.64.6金属金属绝缘体绝缘体半导体肖特基二极管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：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。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。氧化层厚度，以埃为单位。的乘积无量纲，的乘积无量纲，在在一一般般情情况况下下，若若外外加加电电压压不不变变，薄薄氧氧化化层层只只减减少少多多数数载载流流子子电电流流，但但不不降降低低少少数数载载流流子子电电流流。这这导导致致少少数数载载流流子子电电流流与与多多数数载载流流子子电电流流的的比比率率的的增增长长。结结果果是是增增加加了了少少数数载载流流子子的的注注入入比比，这这有有利利于于改改善善诸诸如如太太阳阳电电池池和和发发光光二二极极管管等等器器件件的的性性 能能。4.74.7肖特基势垒二极管和肖特基势垒二极管和P-NP-N结二极管结二极管之间的比较之间的比较4.74.7肖特基势垒二极管和肖特基势垒二极管和P-NP-N结二极管之间的比较结二极管之间的比较 肖特基势垒二极管是多子器件，肖特基势垒二极管是多子器件，P-NP-N结二极管是少子器件结二极管是少子器件。（1 1）在在肖肖特特基基势势垒垒中中，由由于于没没有有少少数数载载流流子子贮贮存存，因因此此肖肖特特基基势势垒垒二二极极管管适适于于高高频频和和快快速开关的应用。速开关的应用。（2 2）肖肖特特基基势势垒垒上上的的正正向向电电压压降降要要比比P-NP-N结结上上的的低低得得多多。低低的的接接通通电电压压使使得得肖肖特特基基二二极极管管对于对于钳钳位和限辐的应用具有吸引力。位和限辐的应用具有吸引力。（3 3）肖特基势垒的温度特性优于肖特基势垒的温度特性优于P-NP-N结结。（4 4）噪声特性也噪声特性也优于优于P-NP-N结结。此外，肖特基势垒二极管制造工艺简单。此外，肖特基势垒二极管制造工艺简单。4.74.7肖特基势垒二极管和肖特基势垒二极管和P-NP-N结二极管之间的比较结二极管之间的比较4.74.7肖特基势垒二极管和肖特基势垒二极管和P-NP-N结二极管之间的比较结二极管之间的比较4.74.7肖特基势垒二极管和肖特基势垒二极管和P-NP-N结二极管之间的比较结二极管之间的比较小结小结肖特基势垒二极管是多子器件，与肖特基势垒二极管是多子器件，与P-NP-N结二极管相比具有高频、高速，低接通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肖特基势垒二极管制造工艺比P-NP-N结二极管制造工艺简单得多。结二极管制造工艺简单得多。4.8肖特基势垒二极管的应用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势垒二极管的应用 肖特基二极管的等效电路肖特基二极管的等效电路 C Cd d结电容，结电容，r rs s串联电阻。串联电阻。（4-8-14-8-1）为二极管结电阻（扩散电阻）。为二极管结电阻（扩散电阻）。4.8肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用 一、一、肖特基势垒检波器或混频器肖特基势垒检波器或混频器 由电磁学，复阻抗由电磁学，复阻抗 当当 时在时在 上的功率耗散和在结上的相等。式中上的功率耗散和在结上的相等。式中 称称为截止频率。为截止频率。因为因为 ，所以有，所以有对于高频运用，对于高频运用，、和和 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，是能够实现小的够实现小的 。通过采用。通过采用 材料，工作频率接近材料，工作频率接近 看来是有可能的。看来是有可能的。（4-8-3）4.8肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒钳位晶体管肖特基势垒钳位晶体管 4.8肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用 当当开开关关晶晶体体管管饱饱和和时时，集集电电结结被被正正向向偏偏置置约约达达0.50.5V V。若若在在肖肖特特基基二二极极管管上上的的正正向向压压降降（一一般般为为0.30.3V V）低低于于晶晶体体管管基基极极 集集电电极极的的开开态态电电压压，则则大大部部分分过过量量基基极极电电流流流流过过二二极极管管，该该二二极极管管没没有有少少数数载载流流子子贮贮存存效效应应。因因此此，与与单单独独的的晶晶体体管相比较，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1 1nsns。肖肖特特基基势势垒垒钳钳位位晶晶体体管管是是按按示示于于图图4-134-13b b的的结结构构以以集集成成电电路路的的形形式式实实现现的的。铝铝在在轻轻掺掺杂杂的的N N型型集集电电区区上上能能形形成成极极好好的的肖肖特特基基势势垒垒，并并同同时时在在重重掺掺杂杂的的P P型型基基区区上上面面形形成成优优良良的的欧欧姆姆接接触触。这这两两种种接接触触可可以以只只通通过过一一步步金金属属化化作作成成，无无需需额额外外的工艺。的工艺。4.8肖特基势垒二极管的应用肖特基势垒二极管的应用小结：小结：肖特基势垒二极管的等效电路。肖特基势垒二极管的等效电路。由于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二极管具有高频、高速的优点，它们被应用于肖特基势垒检肖特基势垒检 波器或混频器和肖特基势垒钳位晶体管。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：随着频率升高肖特基势垒检波器的截止频率定义为：随着频率升高在在 上的功率耗散将增上的功率耗散将增 加，当在加，当在 上的功率耗散和在结上的相等时的频率定义为上的功率耗散和在结上的相等时的频率定义为截止频率。截止频率。肖特基势垒肖特基势垒钳钳位晶体管的电路图、集成结构示意图。位晶体管的电路图、集成结构示意图。肖特基势垒肖特基势垒钳钳位晶体管的工作原理。位晶体管的工作原理。4.9欧姆接触：非整流的欧姆接触：非整流的M-S结结4.9欧姆接触：非整流的欧姆接触：非整流的M-S结结 n欧姆接触欧姆接触: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。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。考虑考虑 ：欧姆结：欧姆结 ：整流结：整流结 ：欧姆结：欧姆结 ：整流结：整流结 ：欧姆结：欧姆结画出了金属画出了金属N N型半导体（型半导体（）的能带图根据能带图解释了）的能带图根据能带图解释了欧姆结的形成。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。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。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。金金属属和和重重掺杂半半导体体之之间形形成成欧欧姆姆接接触触的的物物理理机机制制是是载流流子子可可以以隧隧道道穿穿透透而而不不是是越越过势垒。小结小结