第四章MS结精品文档.pptx

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第四章金属半导体结,1,引言,金属半导体形成的冶金学接触叫做金属半导体结（M-S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积的金属薄膜都可以实现金属半导体结，前者称为点接触，后者则相对地叫做面接触。

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。

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都需要用欧姆接触与其它器件或电路元件相连接。

2,4.1肖特基势垒4.1.1肖特基势垒的形成（考虑金属与N-半导体）,半导体功函数金属的功函数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。

3,半导体功函数金属的功函数半导体的电子亲和势。

自建电势差肖特基势垒高度或其中,当金属和半导体接触，处于热平衡态时：

4,4.1.2加偏压的肖特基势垒（具有单向导电特性）正偏压：

势垒高度降低到反偏压：

势垒被提高到反向偏压时，金属一边的势垒不随外加电压变化，所以从金属到半导体的电子流是恒定的。

当反向电压提高时，使半导体到金属的电子流可以忽略不计，反向电流将趋于饱和。

5,4.2界面态对势垒高度的影响,表面态E0，当E0以下的状态空着时，表面带正电，类似于施主；当E0以上的状态被电子占据时，表面带负电，类似于受主。

在实际的M-S接触中，当E0EF时，界面态的静电荷为正，若E0EF时，界面态的静电荷为负。

6,4.3镜像力对势垒高度的影响,镜像力降低肖特基势垒高度（肖特基效应）：

镜象力引起的电子电势能为：

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。

7,图4-5镜像力降低金属半导体势垒,8,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。

9,4.4肖特基势垒二极管的结构,实用的肖特基二极管结构：

（a）简单接触，（b）采用金属搭接，（C）采用保护环二极管。

10,4.5肖特基势垒二极管的电流电压特性,热电子和热载流子二极管：

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属电子达到平衡，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对于非简并化情况，导带电子浓度和价带空穴浓度为,11,羊毛党http:

/0仐摋垲,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,13,在半导体与金属界面处称为表面势。

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（Richardson-dushman）方程在M-S界面,即,当有外加电压V时,14,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为热电子的平均热运动速度，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与此同时电子从金属向半导体中发射的电流密度为总电流密度：

15,导带有效状态密度为，代入、，得到：

热电子发射论的电流电压关系：

其中:

称为有效理查森常数，它是在电子向真空中发射时的理查森常数中，用半导体电子的有效质量代替自由电子质量而得到的。

代入有关常数，最后得到的单位为，其数值依赖于有效质量，对于N型硅和P型硅，分别为110和32；对于N型和P型，分别为8和74。

16,当肖特基势垒被施加反向偏压-VR时:

n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，n=1。

理查森-杜师曼方程,17,4.7肖特基势垒二极管和PN结二极管之间的比较,肖特基势垒二极管是多子器件，PN结二极管是少子器件。

（1）高的工作频率和开关速度在肖特基势垒中，由于没有少数载流子贮存，因此肖特基势垒二极管适于高频和快速开关的应用。

（2）大的饱和电流（3）低的正向电压降肖特基势垒上的正向电压降要比PN结上的低得多。

低的接通电压使得肖特基二极管对于钳位和限辐的应用具有吸引力。

（4）温度依赖关系的区别：

肖特基势垒的温度特性优于PN结。

噪声特性也优于PN结。

此外，肖特基势垒二极管制造工艺简单。

18,4.8肖特基势垒二极管的应用,4.8.1肖特基势垒检波器或混频器,Cd结电容，rs串联电阻。

为二极管结电阻（扩散电阻）。

19,4.8.2肖特基势垒钳位晶体管,20,4.9欧姆接触：

非整流的M-S结,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。

考虑的金属和N型半导体对。

的金属和N型半导体的接触的能带图：

（a）接触之前，（b）接触之后处于平衡态,21,的金属和N型半导体的接触的能带图：

（c）在半导体一边加上负电压，（d）在半导体一边加上正电压,22,金属P型半导体：

欧姆结：

整流结金属N型半导体：

整流结：

欧姆结,实际半导体由于存在表面态，理想的欧姆接触只能是一种近似，在金属和半导体之间的直接接触一般不形成欧姆结。

金属和重掺杂半导体之间形成欧姆接触：

载流子可以隧道穿透而不是越过势垒。

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