第八章金属半导体接触和异质结

第六章金属半导体接触和异质结习题
1. 画出由p型半导体和金属构成的肖特基势垒在施加正想和反向电压的能带图，分别标出
扩散流、漂移流、肖特基热电子电流的方向和相对大小。

2. 设金属与半导体是理想的肖特基接触，即肖特基模型适用。

在以下两种情形下：(a)金属
和半导体直接接触，(b)相距较远，通过一很细的导线连接。

试分析并用图示意指出，M/S接触形成的接触电势差在热平衡时的分布情形。

3. 试分析说明金属-n型半导体肖特基势垒在正向偏压下电子和空穴的准费米能级如何变
化？
4. 如果金属-n型半导体接触形成肖特基势垒，金属层很薄，可以透光。

在有光照时，肖特
基势垒如何变化？
5. 假设金属的功函数小于半导体的功函数φM<φS，讨论理想M/S接触的能带图和势垒特征；
讨论镜像电荷效应对界面势垒的影响；如果在M/S界面半导体Si禁带中距价带1/3E g 的位置存在无穷大的界面态密度，讨论M/S接触的能带图和势垒特征。

6. 假设金属的功函数小于半导体的功函数φM<φS，分别讨论在M/S界面半导体Si禁带中E t
能级处存在有限的施主和受主的界面态密度时，M/S接触的能带图和势垒特征。

假设在Si表面形成的表面势为φs，在耗尽近似下，求耗尽层厚度。

7. 试求出肖特基二极管的接触电阻表达式，并讨论和降低接触电阻、形成欧姆接触的有效
途径。

8. 试画出图的异质结能带图：
1）说明界面处各能量位置是如何确定的。

2）你如何可从图看出自建势的大小？
3）你如何看出自建势在n侧和p侧是如何分配的？
4）自建势在n侧和p侧的分配决定于什么？不同的分配对能带图的形状有何影响。

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8.异质结

异质结
1.突变反型异质结能带图（不考虑界面态）
导带底突变：ΔEc = χ1 − χ 2 价带顶突变：ΔE v = ( E g 2 − E g1 )－（χ1－χ 2） ΔEc + ΔEv = E g 2 − E g1
异质结 EF不一致载流子相对运动介电常数不同形成空间电荷区内建电场在交界面处不连续 D1 D2 能带弯曲，不连续
模型
发射－复合模型：热发射的电子和空穴通过界面态进行复合隧道模型：隧道效应隧道－复合模型：考虑了复合作用
2.突变同型异质结的电流输运结构
① 表面能级密度在1013cm-2以下，有扩散模型、发射模型、隧道模型，其结果与反型异质结类似。 ② 表面能级密度在1013cm-2以上，提出双肖特基二极管模型。
8
异质结
本章内容提要异质结及其能带图异质结的电流输运机构异质结在器件中的应用半导体超晶格
8.1 异质结及其能带图
同质结：由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的结。（如第5章讨论的p-n结）
异质结：由两种不同的半导体单晶材料组成的结。反型异质结：导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料所形成（如n-pGe-GaAs）同型异质结：导电类型相同的两种不同的半导体单晶材料所形成（如n-nGe-Si）
qVD = qV + qV
2.突变同型异质结能带图（不考虑界面态）不考虑两种半导体交界面处的界面态的情况下，任何异质结的能带图都取决于形成异质结的两种半导体的电子亲和能、禁带宽度以及功函数。
n-n
电子流动
电子耗尽层：禁带宽度大的一边
（与反型异质结不同）
费米能级不一致
电子积累层：禁带宽度小的一边
2.双异质结激光器

半导体物理与器件基础知识

一、肖特基势垒二极管欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。

接触电阻很低。

金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。

之间形成势垒为肖特基势垒。

在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。

影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。

金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。

附图：电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。

附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。

肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较：1.反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。

2.开关特性肖特基二极管更好。

应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。

从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。

二、金属-半导体的欧姆接触附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图三、异质结：两种不同的半导体形成一个结小结：1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。

2.肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，因此达到相同电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。

10双极型晶体管双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个Pn结，两个结很近所以之间可以互相作用。

之所以成为双极型晶体管，是应为这种器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。

一、工作原理附npn型和pnp型的结构图发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低附常规npn截面图造成实际结构复杂的原因是：1.各端点引线要做在表面上，为了降低半导体的电阻，必须要有重掺杂的N+型掩埋层。

金属和半导体的接触

Jms JSm V 0
A*T 2 exp( qns )
kT
有效理查逊常数
A*
4qmn*k 2
h3
热电子向真空发射的有效理查逊常数
A 120 A /(cm2 K 2 )
由上式得到总电流密度为：
J JSm Jms
A*T
2
exp(
qns
)exp(
qV
)
1
k T k T
JsT exp(qkVT ) 1
阻挡层具有整流作用
1. 厚阻挡层的扩散理论
厚阻挡层对n型阻挡层，当势垒的宽度比电子的
平均自由程大得多时，电子通过势垒区要发生多次碰撞。
须同时考虑漂移和扩散
00
xd
x
当势垒高度远大于 kT 时，势 qns 垒区可近似为一个耗尽层。
EF
qVs qVD
0
En=qn
V
耗尽层中，载流子极少，杂质全电离，空间电荷完全由电离杂质的电荷形成。
表面受主态密度很高的n型半导体与金属接触能带图 (省略表面态能级）
金和半接触时, 当半导体的表面态密度很高时
电子从半导体流向金属这些电子由受主表面态提供平衡时，费米能级达同一水平
空间电荷区的正电荷
＝表面受主态上的负电荷
＋金属表面负电荷
Wm
(EF )s (EF )m
Wm-Ws
qVD
EC (EF)s
电子填满q0 以下所有表面态时，表面电中性 q0 以下的表面态空着时，表面带正电，
呈现施主型
q0 以上的表面态被电子填充时，表面带负电，
呈现受主型
Ws
qns
q0
qVD EC EF
EV
存在受主表面态时 n 型半导体的能带图

金半接触与异质结

半导体器件物理
重掺杂
半导体器件物理
异质结
半导体器件物理
不同的半导体材料构成的界面
一、异质结及其能带
1、分类 p-n Ge-GaAs p-n Ge-Si 导电类型反型异质结变化快慢突变型缓变型
不同材料间的过渡发生于几个原子的距离内
同型异质结
n-n Ge-Si n-n Ge-GaAs
• 半导体表面耗尽层电荷密度QSC
QSC 2q S N DVbi 2q S N D ( Bn Vn )
• 界面层电势降落

QM
i
m ( Bn )
半导体器件物理
• 势垒高度的一般表达式
Bn
S C1 ( m ) (1 C1 )( 0 ) C1C 2 q i
EF 0.2 0.4 0.6 0.8 1
耗尽层厚度 xd
Energy (eV)
-0.4 -0.2 -0.2 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.4 -0.2 -0.2
Ec
m Distance (µm)
势垒变薄隧穿加剧
EF 0.2 0.6 m Distance (µm) 0.4 0.8 1
Ec
qV
EF Ec
场致发射
重掺杂，简并
Ev
半导体器件物理
. 3 5
. 3 0
1 e + 5
Jtunelig (A/M 2)
隧穿势垒
. 2 5
1 e + 4
Jtunelig /J TE
. 2 0
. 1 5
1 e + 3 2 . 0 e + 8 4 . 0 e + 8 6 . 0 e + 8 8 . 0 e + 8 1 . 0 e + 9 S q r t ( N d )

《金属半导体接触》课件

在金属和半导体的接触区域，由于能带结构的不同，电子的传输会受到限制或允许，这决定了接触的导电特性。
电子传输机制
在金属和半导体的接触中，电子的传输机制主要有隧道效应和热电子发射两种。
隧道效应是指电子通过金属-半导体接触势垒的能力，即使在没有明显的能量间隙的情况下，电子也可能通过量子力学隧道效应穿越势垒。
溶胶凝胶法具有操作简单、成本低廉等优点，适用于制备大面积、均匀的金属半导体接触。
04
金属半导体接触的应用
电子器件
晶体管
金属半导体接触在晶体管中起着关键作用，通过控制金属与半导体的接触状态，可以实现电流的放大或开关功能。
集成电路
集成电路中包含大量的晶体管和其他电子元件，金属半导体接触在这些元件中扮演着重要的角色，影响着整个集成电路的性能。
新特性
在新材料的推动下，金属半导体接触呈现出新的特性，如高导电性、高热稳定性、高稳定性等。这些新特性使得金属半导体接触在电子、光电子、热电子等领域的应用更加广泛和深入。
新技术与新方法
新技术
随着科研技术的不断创新，金属半导体接触领域也涌现出许多新的技术和方法。例如，利用先进的纳米制造技术，可以实现金属和半导体的原子级精确控制和优化，进一步提高金属半导体接触的性能。
02
特性：金属半导体的电子结构、界面能带结构、电荷转移和空间电荷区等特性。
金属半导体接触的重要性
在电子器件和集成电路中，金属半导体接触是实现电子传输和收集的关键部分，对器件性能具有重要影响。
在太阳能电池、传感器和光电器件等领域，金属半导体接触对于能量转换和信号处理具有重要意义。
金属半导体接触的分类
来新的发展机遇和挑战。
挑战

金属和半导体的接触

（2）金属与p型半导体接触
Wm > Ws 电子由半导体进入金属，半导体表面处能带上弯，Vs<0，表面是空穴势阱，空穴积累，高电导层，p型反阻挡层
Wm < Ws 电子由金属进入半导体，半导体表面处能带下弯，Vs>0，形成空穴势垒，空穴耗尽层，p型阻挡层
电子势垒，耗尽层高电阻，阻挡层
电子势阱，积累层高电导，反阻挡层
空间电荷减少，势垒高度下降
（金属表面势垒高度基本不变）
金属
半导体
IF正向电流
qφns
q(VD -V)
qV
EF
半导体势垒由qVD降低为q[VD-V]，破坏了原来的平衡，半导体到金属的电子流占优势（多子）形成从金属到半导体的正向电流（多子电流）外加电压V 越大，势垒高度降低越多，正向电流越大
n型阻挡层（Wm > Ws，Vs < 0）
（金属表面势垒高度基本不变）
很小金属势垒高度基本不随外加电压改变（反向饱和电流）
金属
半导体
IR反向电流
qφns
-qV
q(VD -V)
EF
p型阻挡层（Wm < Ws，Vs > 0）
可作类似讨论
NOTE:
由于Vs > 0，正向电压、反向电压极性与n型阻挡层时相反
即：p型阻挡层
金属接负，半导体接正
-
1940s～：随着p-n结二极管的出现，金-半接触在器件方面的应用地位降低
1960s：平面工艺制作出金-半二极管(肖特基二极管)
<近乎理想的伏安特性，噪声低，频率特性好>
随后，应用领域的快速发展推动了金-半接触理论的进一步发展
5
金属—半导体接触

金半接触和半导体异质结.pptx

因
此
，
实
际
的
欧
姆
接
触
采
用
隧道效应 17 第18页/共29页
9.2欧姆接触
• 隧道效应
隧道电流：
１００埃左右
隧道电流随掺杂浓度的增大18而指数增大。
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9.2欧姆接触
• 接触电阻值
Rc
J V
1
V 0
整流接触：
Rc
kT
/
e exp eBn
A*T 2
/
kT
欧姆接触(隧道效应)：
2 Rc exp
Ev Eg Ec
接触后，电子从n—p；空穴从p—n； N区存在正空间电荷区； P区存在负空间电荷区；能带发生弯曲；
21
第22页/共29页
9.3异质结
• 接触后
Vbi Vbin Vbip
22
第23页/共29页
9.3异质结
• nN结热平衡时理想能带图（三角势阱）
GaAs
AlGaAs
二维电子气：电子堆积在异质结表面的势阱中，沿垂直于表面方
• 与pn结不同，主要靠多数载流子的运动来决定电流的情况。
• 热电子发射理论：势垒高度远大于kT时，电流的计
算可以归纳为计算超越势垒的载流子数目。
7
第8页/关系
半导体内单位体积中能量在E~E+dE范围内的电子数为：
4
dn gc E fF E dE
9.1肖特基势垒二极管
肖特基势垒：
内建电势差：
1
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9.1肖特基势垒二极管正反偏
突变结近似
2
第3页/共29页
9.1肖特基势垒二极管

2012-半导体物理-8-异质结-2014-05-28解析

反型异质结：p-n-Ge-GaAs或(p)Ge-(n)GaAs。同型异质结：n-n-Ge-GaAs或(n)Ge-(n)GaAs。在标记中通常把窄（宽）禁带半导体写在左（右）边。异质结也可以分为突变异质结和缓变异质结。
突变异质结：从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡发生在几个原子间距的范围内。
pn结的能带图 qVD E Fn E Fp
突变反型异质结的能带图
形成异质结时电子从n型半导体流向p型半导体，空穴的流动方向相反。达到平衡时，两块半导体具有统一的费米能级。
在异质结界面的两边形成空间电荷区，产生内建电场和附加电势能，使空间电荷区中的能带发生弯曲。
qVD = qVD1 + qVD2 = EF2 - EF1 = W1 - W2
Group B
1. 1 2. 2 3. 5
Group C
1. 1 2. 2 3. 5
半导体物理学
第7章金属和半导体的接触子阱中二维电子气的形成及其电子能态
波函数满足的薛定谔方程：波函数分离变量：波函数分离变量：
面内波函数：
电子能量：
界面量子阱中二维电子气的势阱和状态密度
二维电子气的状态密度
电子的能量： k空间原胞的面积：
k空间k-k+dk圆环的面积： E-k关系：状态密度：
低维半导体材料及其状态密度
半导体超晶格
• 由于迷你带的形成，超晶格的发光波长相对于量子阱的发光波长发生一个红移。
• 在I型超晶格中，电子和空穴被束缚在同种材料中。 • 在II型超晶格中，电子和空穴被束缚在不同材料中。
半导体激光器
单异质结激光器
• 时间：1969年第一次制成。 • 方法：液相外延。 • 结构：在GaAs pn结上再生长一层p型AlGaAs. • 优点：阈值低，效率高。 • 阈值电流密度：10-15 103 A/cm2,小于同质结激光器。 • 原因：注入的电子和空穴被阻挡在p型GaAs中复合；激光也限制在其中。