半导体器件物理第二章总结.ppt

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1、金-半非整流接触（欧姆接触）及二极管的特点和应用,1,金属-半导体接触,在制造半导体器件的过程中,除了有PN结之外,还会遇到金属和半导体相接触的情况,这种接触(指其间距离只有几个埃)。有时会在半导体表面形成载流子的积累层,从而表现出低阻特性,其伏安特性是线性的；有时会在半导体表面形成载流子的耗尽层(阻挡层),出现表面势垒,其伏安特性与PN结相似,呈非线性状态。,2,这是由于金属的功函数（Wm）、费米能级（(EF)m）和半导体的功函数（Ws）、费米能级（(EF)s）不同，当金属和半导体接触时会形成表面势垒造成的。而具体是那种情况跟Wm和Ws的大小以及半导体是n型或p型有关。上述两种情况在实际应用

2、中都有用到之处,前者可用来作欧姆接触（非整流接触），后者可用来制作肖特基势垒二极管（整流接触）。,3,欧姆接触,半导体器件和用来测试半导体参数的样品，要求用欧姆接触来连接，欧姆接触是一类重要的金属-半导体接触。欧姆接触是一种不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著变化的接触。从电学上讲，理想欧姆接触的接触电阻与半导体样品或器件相比应当很小，当有电流流过时，欧姆接触上的电压降应当远小于样品或器件本身的压降，这种接触不影响器件的电流-电压特性，或者说，电流-电压特性是由样品的电阻或器件的特性决定的。,4,如何实现欧姆接触,不考率表面态的影响。以N型半导体为例，若WmWs，

3、这种费米能级的差别意味着在金属内部和半导体导带相对应的那部分能级上，电子的密度大于半导体导带的电子密度，于是当两者接触时，电子便从金属向半导体扩散,结果使金属表面带正电，N型半导体表面附近形成电子的积累层，从而表现出高导电的特性，也即低阻值、无整流的特性，其积累层的能带如图1所示。,5,图1 积累层的能带图,6,同样的分析方法可知,当金属和P型半导体接触时,若P型半导体的逸出功小于金属的逸出功，便在P型半导体表面附近形成空穴的积累层，从而也表现出高导电、无整流的特性。这样看来，选用适当的金属材料，就有可能得到欧姆接触。值得注意的是，在上面的分析中,我们都基于一种简化的理想状态，即将金属和半导体

4、相接触所出现的四种情况只决定于逸出功，实际上，表面势垒的形成还和半导体表面能态的性质及密度有关。,7,像Ge、Si、GaAs这些最常用的半导体材料，一般都有很高的表面态密度，无论是N型材料或P型材料与金属接触都形成势垒，而与金属功函数关系不大。因此，不能用选择金属材料的办法来获得欧姆接触。目前，在生产实际中，主要是利用隧道效应的原理在半导体上制造欧姆接触。,8,因为重掺杂的P-N结可以产生显著的隧道电流。金属和半导体接触时，如果半导体掺杂浓度很高，则势垒区宽度变得很薄，电子也要通过隧道效应贯穿势垒产生相当大的隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分。当隧道电流占主导地位时，它的接触

5、电阻可以很小，可以用作欧姆接触。因此，半导体重掺杂时，它与金属的接触可以形成接近理想的欧姆接触。,9,接触电阻定义为零偏压下的微分电阻，即,（1）,运用量子力学的运算，最后得到,（2）,由式（2）看到，掺杂浓度越高，接触电阻Rc越小。因而，半导体材料重掺杂时，可得到欧姆接触。,10,制作欧姆接触最常用的方法是用重掺杂的半导体与金属接触，常常是在N型或P型半导体上制作一层重掺杂区后再与金属接触，形成金属-N+-N或金属-P+-P结构。由于有N+、P+层，金属的选择就比较自由。形成金属与半导体接触的方法也有多种，例如蒸发、溅射、电镀等等。,11,肖特基二极管,利用金属-半导体整流接触特性制成的二极

6、管称为肖特基势垒二极管，它和P-N结二极管具有类似的电流-电压关系，即它们都有单向导电性。,12,肖特基二极管的结构,图2为三种常用的肖特基势垒中的一种，在n+Si衬底上的n型外延膜经过清洁处理及热氧化，随后，用标准的光刻技术开出窗口，并通过在真空系统中进行蒸发或溅射以沉淀金属。金属图形由另一步光刻确定。不幸的是，由于陡峭的边沿以及在Si-SiO2界面存在正的固定电荷Qss，使得这种简单的结构不能提供理想的肖特基势垒特性。,13,这些条件在靠近周边的半岛体耗尽区建立一高电场，导致在拐角处有过量电流。这种拐角效应除了产生软的反向特性和低击穿电压之外还造成低劣的噪音特性。,14,图2 实用的肖特基

7、二极管结构：简单接触,15,使金属搭接在氧化层上可以消除周边效应，如图3所示。这时在金属-氧化物-半导体（MOS）电容下边的耗尽区得到修整，引起软击穿的陡沿被消除。搭接区应当很小；不然附加的电容会降低二极管的高频特性。,16,图3 实用的肖特基二极管结构：采用金属搭接,17,为了得到理想的I-V特性，在图4所示的保护环结构中采用了一种附加的p+扩散环来降低边缘效应。由于搭接金属结构比较简单，通常在集成电路中采用它更为合适。,18,图4 实用的肖特基二极管结构：采用保护环二极管,19,肖特基二极管的特点,肖特基势垒二极管和P-N结二极管具有类似的电流-电压关系，即它们都有单向导电性；但前者又有区

8、别于后者的以下显著特点。首先，就载流子的运动形式而言，P-N结正向导通时，由P区注入N区的空穴或由N区注入P区的电子，都是少数载流子，它们先形成一定的积累，然后靠扩散运动形成电流。,20,这种注入的非平衡载流子的积累成为电荷存贮效应，它严重地影响了P-N结的高频性能。而肖特基二极管的正向电流，主要是由半导体中的多数载流子进入金属形成的。它是多数载流子器件。例如对于金属和N型半导体的接触，正向导通时，从半导体中越过界面进入金属的电子并不发生积累，而是直接成为漂移电流而流走。因此，肖特基二极管比P-N结二极管有更好的高频特性。,21,其次，对于相同的势垒高度，肖特基二极管的JsD或JsT要比P-N

9、结的反向饱和电流Js大得多。换言之，对于同样的使用电流，肖特基二极管将有较低的正向导通电压，一般为0.3V左右。,22,肖特基二极管的应用,因为有以上的特点，肖特基二极管在高速集成电路，微波技术等许多领域都有很多重要应用。例如，由于肖特基势垒具有快速开关响应，因而可以把它和N-P-N晶体管的集电极-基极结并联连接，如图5 a所示，以减小晶体管的存贮时间。,23,图5 肖特基箝位晶体管：（a）电路图（b）集成结构,24,当晶体管饱和时，集电结被正向偏置约达0.5V。若在肖特基二极管上的正向压降（一般为0.3V）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

10、子存贮效应。因此，与单独的晶体管向比较，和成器件的存贮时间得到显著的降低。肖特基势垒箝位晶体管是按图5 b所示的结构以集成电路的形式实现的。,25,又例如，掺杂浓度约为51015cm-3的N型外延硅衬底与PtSi接触，经钝化，制成的金属-半导体雪崩二极管，能产生连续的微波震荡，并且能在大功率下工作。此外，也可以用金属-半导体势垒作为控制栅极，制成肖特基势垒栅场效应晶体管。也可以用作肖特基势垒栓波器或混频器等等。,26,第二章 金属半导体结,2-1 金-半接触 分可为:1.掺杂浓度较底,这时表现出结具有单向导电性-肖特基二极管 2.掺杂浓度较高-金-半接触-欧姆接触,27,金-半结在实际中应用

11、伏安特性与PN结相似,但又有许多特点,在微波技术,高速集成电路等有重要应用 一般半导体都要利用金属电极输入和书出电流,要求金属和半导体形成连良好的欧姆接触.特别是在超高频,大功率器件欧姆接触具有设计和制造中的一个重要关键.,28,2-2 肖特基势垒及能带图2-2-1 金半分立能级图2-2-2金半接触及能带图金半接触的平衡态到达到平衡，都要Ef的统一与半导体PN结能带原理完全一致随着耗尽层的耗尽，Ef逐步靠拢,EfS,从高到低到平衡为止半导体电子到金属,29,接触势差：0=m-s,金半接触势垒q b=q(m-)在金属一侧势垒高度为qb在半导体一侧势垒高度为q0半导体空间电荷区的宽度为W(耗尽层的

12、宽度)金属中的电子要进入半导体,必须越过势垒qb，又称qb为肖特基势垒。,30,2-2-3 外加偏压的情况,正偏 半导体相对金属 即半导体加负电压正偏条件下 半导体一侧的势垒减小为0-v正偏条件下的能带图与半导体担保突变结类似,Efs上移，分裂势垒高度降低,Efs,31,电流方向为半导体流向金属，对均匀掺杂半导体来说，肖特基势垒的空间电荷区宽度类似单边突变结情况：,反偏情况下条件下能带图反偏的耗尽层宽度,Efs,Efm,反偏条件下，势垒高度增加，0+VR和W增加半导体加正，金属加负，此情况与PN结类似。可做1/C2与VR曲线可求：自建电场0（外推与横轴的交点）半导体浓度，斜率,32,2-2-4

13、 半导体界面态及影响(平衡态),什么是界面态：二种材料接触产生晶格不匹配，半导体表面处的晶格断裂所产生的大量的能量状态,从能带角度来说会产生新的能级，新的能态，通常位于半导体的禁带区域.这些能量状态为半导体的界面态.表面处晶格的断裂产生大量的能量状态，这些能量位于半导体的禁带内，呈连续分布，可用中性能级E0来表征，称E0为表面态能级。,33,施主界面态当E0Ef(统一)E0以下的表面能级为空穴。当E0呈电中性时，属界面态被占情况。空态表面态呈正电性。类似施主能级，它起到了降低自建场作用。即q b q b,当金属和半导体形成接触时，首先要和半导体的表面态中的电子平衡。,34,当E0 Ef,E0,

14、q0,Ef,qb,Ef,E0以上被电子占据（领）呈负点性类似受主状态，起到增强自建场的作用即qb,+qb,使Ef趋向Eb,35,表面态能级在M-S中的效果a.在界面态密度高的情况下，它可以屏蔽金属接触的影响b.在qb中界面态处于支配作用，使Ef趋向于E0。通常半导体中E0位于1/3Eg的位置。C.M-S结中的qb 在密度界面态情况下，几乎与者的功函数无关，而基本上是由半导体的性质决定。（界面态和它的密度大小有关）,36,2-3 M-S的I-V特性,2-3-1 金-半二极管 I-V特性的理论介绍通常正偏电压为主正偏情况下，M-S结的电流是有几种不同的机制产生的，因而可以用不同的理论来研究VE设电

15、子的速度VD扩散接近势垒区，并以速度VE从半导体一侧流向金属一侧。分两种情况：若VE VD，认为扩散机制是主要形式；若VE VD,认为热电子发射机制是主要形式。,37,当VE VD，认为电子平均自由程远大于势垒密度，隧道效应起作用，或认为半导体中电子直接穿透而进入金属。尽管三个观点不一样，但得到的数学表达式基本一致。,扩,肖特基二极管中电子机制基本上是属于“热电子发射”理论。并推出I-V关系式，并称此二极管为热点流二极管。,38,2-3-2 真空中金属的“热电子发射”理论1.金属 真空界面的势垒用功函数qm当金属中获得能量从表面逃逸至真空称为“热电子发射”现象。2.设金属中的电子能量在E到E+

16、dE之间，电子数为dn，能级的态密度为N(E)，状态密度N(E)借用半导体导带低的状态密度，其分布形式符合费米分布函数f(E).,39,f(E)N(E),n,这些电子可能越过势垒成为热电子,费米分布函数,40,3,热电子发射形成的电流 I=q*A*Vx*N(A为MS结面积;Vx为热电子垂直金属表面上的速度分量;N为在能量dE内的电子数)*把对能量积分转为对速度的积分:利用 得到对积分的结果:,41,上式在平衡时,得到:理查逊杜什曼公式 其中R=120A/k2cm2 理查逊常数*应用:将此类金属在真空中热电子发射用于金-半系统.,42,2-2-3 M-S结的I-V方程1,确认“热电子发射”为Ms

17、的电流主要机制。可将金属在真空中的热电子发射讨论结果用于M-S结。2,对于正偏条件下的M-S结，其电流是电子流向金属。,只不过注意式中m用s来代替。式中的m应用半导体电子的有效质量me 来代替。,43,3，反偏条件下，Ims=-Io 4，总的电流表达式：,I-V特性方程,I随外加电压变化呈指数上升 反偏时电流很小 I-V特性类似于PN结二极管 I-V特性方程也满足I-V特性图,44,2-3 M-S接触问题的讨论2-3-1 镜像力对金属势垒高度的影响1，什么是镜像力 电荷-q位于金属表面x处，从其电力线行为可看作在-x处有一电荷+q（镜像电荷）作用而产生的库仑力，称此为“镜像力”。镜像力作用F=

18、-q=2，镜像力对电势的影响：由于上述镜像力对电势有影响，会使肖特基势垒高度降低，见右图。,真空中,称这个正电荷为镜电荷，这个力为库仑力；有力的作用就要做功；可形成这样的表达式：,镜像势能曲线,45,2-3-2 肖特基势垒二极管1，SBD的基本结构2，SBD结构的问题 a)发现边缘区域易击穿（与电力线分布有关，电力线集中，会导致边缘区域易击穿）；b)改进设计，分散原来周边集中的电力线；c)P+保护环结构：利用半导体PN结原理，采用P+环，改善周边效应，但工艺复杂。,浓度高低影响很大,耗尽层,电极,金属,P+,P+,46,2-3-3 SBD与PN结的对比1，SBD是多子工作的器件（应用于高度开关

19、，影响高频特性）；PN结是少子工作的器件。2，两者势垒高度相同。在相同的电流条件下，SBD的电压低得多。3，SBD工作速度比PN结快，因为PN结有存储效应。4，二者温度效应不同，PN结正向温度比SBD高0.4mv/。,47,2-3-4 应用1，在集成电路中，IC对工作速度有较高的要求。双极数字IC采用SBD箱位，晶体管的VBC的电位低为0.4V，使晶体管的工作速度得到提高。称这种晶体管为肖特基势垒箱位晶体管，由其构成的电路称为STTL电路。2，高频应用 例：高频滤波器 射频功率对线路的作用，希望让rd吸收工作功率，而不希望让rs耗散射频功率。所以，希望rs 上功耗要小，即rs rd，即f，Vd

20、;若Wf,则Cd,Vs.,c,e,rs 串联,rd,并联,48,2-4 非整流的M-S结（欧姆接触）2-4-1 欧姆接触的定义 对M-S结能满足不产生明显的整流效应，不改变半导体内平衡载流子浓度，更不产生明显的寄生电阻，具有对称的I-V特性的接触，称为欧姆接触。,I,V,49,欧姆接触对材料的要求N型半导体2，M-S接触能带,50,MS能带在界面处不在出现，而是在半导体一侧 在 以下，是载流子（电子）能够自由地通过界面，即获得线性的I-V关系，满足接触的要求。,51,3，P型半导体,52,MS边界接触处，无空穴的势垒。半导体一侧 出现在 之上。载流子能无阻挡通过界面，满足了I-V现行要求，即满

21、足接触。要做好接触、金属的选择在加正反偏压时，只使体内的能带上下移动，表面的结构不会改变。,53,反,正,8，外加电压时欧姆接触的界面处的能带的结构不会改变，能使半导体的体内能带整体上移或下移。图为N型半导体的欧姆接触,54,2-4-3 实际的欧姆接触1，理想的欧姆接触仅是一种近似情况，即N型或P型半导体即使能够满足 及 要求，而界面处总存在“寄生电阻效应”2，实际的欧姆接触对半导体的掺杂浓度有一定的要求，即在高掺杂条件下，界面寄生电阻才能基本消除。,55,工艺过程,接触电阻,理论上,多数载流子有一通道,无阻挡.而实际上总有阻挡.,工艺上,用重掺杂通过,56,实际上的欧姆接触的电流机制：隧道穿透 实现w很小 理论上实际上起指导作用,w,S,M,隧道穿透,57,金属半导体接触及其能级图,58,金属半导体接触及其能级图金属和半导体的功函数,59,金属半导体接触及其能级图接触电势差,60,金属半导体接触及其能级图接触电势差,61,金属半导体接触及其能级图接触电势差,62,金属半导体接触及其能级图接触电势差,63,金属半导体接触及其能级图接触电势差,64,金属半导体接触及其能级图表面态对接触势垒影响,65,金属半导体接触及其能级图表面态对接触势垒影响,66,