半导体器件原理第三章.ppt

电子由半导体流向金属所引起的电流密度可表示为： 其中Ec‘是通过热电子发射至金属所需的最小能量，vx是载流子沿着电流输运方向的速度； 满足热电子发射条件的电子浓度的微分值为： 其中N(E)为导带的态密度，F(E)为费米－狄拉克概率分布函数 3.1肖特基势垒二极管 电流电压关系 第二十九页，共58页 假设仍然满足麦克斯韦－玻尔兹曼近似条件，则有： 假设半导体材料中电子的能量高于Ec部分均为电子的 动能，则有： 从半导体向金属的净电流密度为 3.1肖特基势垒二极管 电流电压关系 第三十页，共58页 其中A*为有效理查德森常数 正偏条件下金属－半导体之间形成肖特基结的能带图及其电路符号 3.1肖特基势垒二极管 电流电压关系 第三十一页，共58页 流过肖特基结的总电流可表示为电子由半导体流入金属中所引起的电流Js →m与电子由金属流入半导体中所引起的电流Jm →s之差，即： 由热平衡总电流为零知： 第三十二页，共58页 电流的正方向定义m?s，因此可得： 上述方程也可表示为通常二极管电流方程形式，即： 和pn结相同的电流变化规律 3.1肖特基势垒二极管 电流电压关系 第三十三页，共58页 其中：称为肖特基结二极管的反向饱和电流密度。式中фBn通常即为理想情况下的肖特基势垒高度фB0，对于硅材料来说，有效理查逊常数为A*=120A/cm2K2，对于砷化镓材料来说，则为A*=1.12A/cm2K2。 A*和有效质量有关，实际是与状态密度有关 3.1肖特基势垒二极管 电流电压关系 第三十四页，共58页 3.1肖特基势垒二极管 与PN结比较 肖特基势垒二极管 反向饱和电流密度： 理想pn结二极管 反向饱和电流密度： 虽然J-V形式很相似，但反向饱和电流密度有很大差异 1、电流输运机构不同。pn结二极管的反偏电流主要由少数载流子的扩散运动决定的，而肖特基二极管中得电流由多数载流子通过热电子发射跃过内建电势差而形成的。Pn结比肖特基二极管小2~3个数量级。 * 第三十五页，共58页 3.1肖特基势垒二极管 与PN结比较 * 肖特基结二极管的开启电压：0.3V左右 pn结二极管的开启电压0.6V左右 第三十六页，共58页 3.1肖特基势垒二极管 与PN结比较 2. 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pn结二极管的有效开启电压。 3. 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RC延迟时间常数。工作频率可高达100GHz，而pn结的开关时间是纳秒数量级。 第三十七页，共58页 3.1肖特基势垒二极管 与PN结比较 开关特性 pn结二极管靠少子扩散运动形成电流，外加正偏电压时少子首先形成一定的积累，再靠扩散运动形成电流。 肖特基二极管的电流取决于多子通过内建电势的发射电流。外加正偏电压时直接形成漂移电流流走。 * 第三十八页，共58页 第三章：金属半导体和半导体异质结 3.1 肖特基势垒二极管 3.2 金属—半导体的欧姆接触 3.3 异质结 3.4 小结 * 第三十九页，共58页 3.2 金属-半导体的欧姆接触 任何半导体器件最后都要用金属与之接触，并由导线引出，因此，获得良好的欧姆接触是十分必要的。 欧姆接触是接触电阻很低的结，理想状态下，欧姆接触所形成的电流是电压的线性函数。 两种欧姆接触： 使表面不产生势垒的接触 隧道效应 * 第四十页，共58页 Ec EF EFi Ev EF Ec Ev EF Ec EF Ev EF EF Ec Ev 理想非整流接触 N型（半导体）欧姆接触：金属功函数小于半导体功函数 偏压下电子在金属-半导体界面传输时，遇到的势垒很小 N型欧姆接触往往采用功函数较小的金属，如Al 3.2 金属-半导体的欧姆接触 第四十一页，共58页 第一页，共58页 第三章：金属半导体和半导体异质结 3.1 肖特基势垒二极管 3.2 金属—半导体的欧姆接触 3.3 异质结 3.4 小结 * 第二页，共58页 能带图 Φ: 功函数，单位为伏特。从费米能级将一个电子移到刚巧在该种材料之外的一个位置（真空能级）所需的能量。 Χ：电子亲和能，单位伏特。从导带底将一个电子移到刚巧该种材料之外的一个位置（真空能级）所需的能量。 参数 符号 金属功函数 半导体功函数 电子亲和能 肖特基势垒 内建电势差 真空能级 Ec EF EFi Ev EF 金属的功函数和半导体的电子亲和能都