尼曼-半导体物理与器件第九章.pptVIP

第九章 金属半导体和半导体异质结 * 理想肖特基二极管的I-V关系形式上与pn结二极管的相同： （5）肖特基势垒二极管与pn结二极管的比较 两者间有两点重要区别：第一是反向饱和电流密度的数量级。 两种器件的输运机制不同：肖特基二极管-多子通过热电子发射跃过内建电势差，pn结二极管-少子扩散运动。 肖特基二极管的理想反向饱和电流值比pn结大好几个数量级。 肖特基二极管的有效开启电压低于pn结二极管。 第九章 金属半导体和半导体异质结 * 右图为肖特基二极管和pn结二极管的正偏I-V特性曲线比较。 肖特基二极管的有效开启电压低于pn结二极管的有效开启电压。 主要原因是金半接触和pn结中的掺杂具有不同的势垒高度函数，但还存在着其他主要的不同。 肖特基二极管与pn结二极管的第二个主要不相同点：频率响应，即开关特性。 肖特基二极管是多子导电器件，其正偏时不产生扩散电容——高频器件；正偏转向反偏时，也不存在少子的存储效应——快速开关器件。 第九章 金属半导体和半导体异质结 * 9.2 金属-半导体的欧姆接触 欧姆接触 接触电阻很低 在金属和半导体两边都能形成电流 形成的电流是电压的线性函数，电压要低 两种常见欧姆接触： 非整流接触 隧道效应形成 第九章 金属半导体和半导体异质结 * （1）理想非整流接触势垒 ?m?s，金属与n型半导体结欧姆接触 ?m?s，金属与p型半导体结欧姆接触 接触前 接触前 接触后 接触后 热平衡 热平衡 考虑表面态影响，无法形成良好的欧姆接触 第九章 金属半导体和半导体异质结 * （2）隧道效应 金属-半导体接触的空间电荷宽度与半导体掺杂浓度的平方根成反比。 随着掺杂浓度增加，耗尽层宽度减小，隧道效应增强；例9.7，重掺杂半导体耗尽层厚度数量级为埃，隧道电流是结中的主要电流。 隧道电流为： 其中 第九章 金属半导体和半导体异质结 * （3）比接触电阻 欧姆电阻的优势在于接触处电阻RC，定义：在零偏压时，电流密度对电压求导的倒数，即 对于由较低半导体掺杂浓度形成的整流接触来说，电流-电压关系如下： 结中的热发射电流起主要作用。此时，单位接触电阻为 单位接触电阻随势垒高度的下降迅速减小。 第九章 金属半导体和半导体异质结 * 对于具有高掺杂浓度的金属-半导体结来说，隧道效应起主要作用。则单位接触电阻为 表明单位接触电阻是强烈依赖于半导体掺杂浓度的函数。 右图是Rc随半导体掺杂浓度变化的一系列理论值。 掺杂浓度约大于1019cm-3，隧道效应占主导地位，Rc随Nd呈指数规律变化； 掺杂浓度较低时，Rc值由势垒高度决定，与掺杂浓度基本无关。 图中还绘出了实验数据。 第九章 金属半导体和半导体异质结 * 9.3 异质结 （1）形成异质结的材料 异质结由两种具有不同禁带宽度的材料组成。 结表面的能带是不连续的。 突变结：半导体由一个窄禁带宽度材料突变到宽禁带宽度材料形成的结。 为形成一有用的异质结，两种材料的晶格常数必须匹配。 第九章 金属半导体和半导体异质结 * （2）能带图 根据带隙能量的关系，异质结有3种可能：跨骑（图(a)）、交错（图(b)）、错层（图(c)）。 根据掺杂类型的不同，有4种基本类型的异质结： 反型异质结：掺杂类型变化，例nP结、Np结 同型异质结：掺杂类型相同，例nN结、pP结 其中，大写字母表示较宽带隙的材料 窄带隙和宽带隙能量的关系: (a)跨骑；(b)交错；(c)错层 第九章 金属半导体和半导体异质结 * 真空能带与两个导带能级和价带能级平行，真空能级连续。 接触前能带 第九章 金属半导体和半导体异质结 * 热平衡状态下的一个典型理想nP异质结 第九章 金属半导体和半导体异质结 * （3）二维电子气 nN异质结在热平衡状态下的理想能带图 为达到热平衡，电子从宽带隙材料流向窄带隙，在临近表面的势阱处形成电子的堆积。 电子在势阱中能量是量子化的。 二维电子气指电子在一个空间方向上（与界面垂直方向）有量子化的能级，同时也可向其他 两个空间方向自由移动。 图（a）为导带边缘靠近突变结表面处的能带 图（b）三角形势阱的近似形状 第九章 金属半导体和半导体异质结 * 平行于表面的电流是电子浓度和电子迁移率的函数。 由于GaAs轻掺杂或本征，则二维电子气处于一低杂质浓度区，因为杂质散射效应达到最小。 同样区域，电子迁移率远大于有电离施主杂质时的迁移率。 平行于表面的电子运动受到AlGaAs中电离杂质库仑力的影响，采用AlGaAs-GaAs异质结时这种作用将大大减弱。 将逐渐变化的本征AlGaAs夹在N型AlGaAs和GaAs间。 势阱中电子远离已电离杂质，则电子迁移率较突变的异质结中迁移率有很大提高。 势阱中电子定态分布 热平衡下缓变结导带边缘 第九章 金属半导体和半导体异质结 * Np异