肖特基势垒和欧姆接触_孟庆忠

烟台师范学院学报(自然科学版)Yantai T eachers U niversity Journal (N atural Science )

2000,16(2):153-156教学

研究 收稿日期:2000203218

作者简介:孟庆忠(1942—),男,教授,大学本科,从事电子技术基础理论研究.

肖特基势垒和欧姆接触

孟　庆　忠

(青岛大学师范学院物理系,山东青岛266071)

摘要:用能带结构的观点分析了金属和半导体相接触时的机理,并简要介绍了肖特基二极管的构造及应用.

关键词:肖特基势垒;欧姆接触;费米能级

中图分类号:TN 710.1 文献标识码:A 文章编号:100424930(2000)022*******

P 型半导体和N 型半导体通过掺杂方式结合而成的PN 结,是一种比较复杂的半导体结构.这种结构的重要特征之一是在结的相邻两侧,两种载流子的分布具有不对称的特性,从而形成载流子的浓度梯度,结果使PN 结具有非线性的伏安特性.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.上述两种情况在实际应用中都有用到之处〔1〕,前者可用来作欧姆接触,后者可用来制作肖特基势垒二极管.

1　肖特基势垒

从能级的观点来看,要使金属或半导体中的电子脱离原子核的束缚成为体外自由电子,就必须做功.因为金属或半导体内的绝大多数电子都比体外电子处于较低的能级.物体对电子束缚的强弱决定于物体的性质和表面情况,我们称之为逸出功.显然,逸出功越大,电子越不容易离开物体.由半导体物理学知识可知,物体的逸出功等于体外静止电子的能量与该物体费米能级之差.

现以N 型半导体为例.如果N 型半导体的逸出功小于金属的逸出功,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,电子的密度要小于半导体导带的电子密度,因此当它们接触时,电子便从半导体向金属扩散,结果使金属带负电,半导体带正电.对于金属而言,负电荷只能分布在表面;而对于N 型半导体来说,施主杂质失去电子成为正离子,由于掺杂浓度有限,这些正离子必须分布在一定厚度的空间电荷区内,其间的载流子(电子)浓度几乎为零,因而形成了高阻的耗尽层,电荷分布如图1所

图1　金属半导体结的电荷分布示〔2〕.空间电荷区产生内建电场E i ,其方向为由N 型半导

体指向金属.运用一维泊松方程可得

Εd E i d x

=e N D ,(1)式中Ε为半导体的介电常数,e 为电子的电量,N D 为N 型

半导体的掺杂浓度

.由(1)式便可求得金属-半导体结的电场分布为

E i (x )=e N D Ε(x -W 0),

(2)式中W 0为耗尽层的宽度.由电场E 和电势Υ的关系Υ(x )=-

∫x 0E i (x )d x 可求得电势的分布为Υ(x )=-

e N D 2Ε(x -W 0)2.(3)当x =0时,(3)式变为Υs =

e N D 2ΕW 20.式中Υs 称为金属-半导体结的接触电势差或内建电势差〔2〕.在考虑金属-半导体结的能带时,应将这一电势差所引起的附加电子静电势能图2　耗尽层内的能量带图-e Υs 也考虑进去

.这样,N 区导带电子的能量要比金属导带电子的能量低e Υs ,也即N 型半导体的能带相对于金

属的能带降低一个量值e Υs

.因此当金属-半导体结形成后,其能带将呈向上弯曲的状态(图2).这个向上弯曲的

能带对电子形成一个阻止其由半导体向金属扩散的势

垒,此势垒就是肖特基表面势垒.图2中的E cs 表示半导

体的导带底;E F M 和E F s 分别为金属和半导体的费米能

级;E rs 表示半导体的价带顶.

金属-半导体结的伏安特性同PN 结的伏安特性相似,都具有单向导电的整流特性.同样的分析方法可知,金属和P 型半导体接触时,当P 型半导体的逸出功大于金属的逸出功时,也可形成肖特基势垒.不过在这种情况下,金属带正电,半导体带负电,P 区导带电子的能量要比金属导带电子的能量高e Υs ,也即P 型半导体的能带相对于金属的能带要高一个能量值e Υs

.金属-半导体结形成后,其能带将呈向下弯曲的状态. 显然,P 型半导体和N 型半导体与金属接触时,都有可能形成肖特基势垒.但在实际制作肖特基二极管时,由于电子比空穴的迁移率高,容易获得优良的特性,故多采用N 型半导体.

2　欧姆接触

欧姆接触是半导体器件的金属引线与半导体材料之间的另一种接触方式.为了不影响半导体器件的性能,必须使金属电极与半导体的接触是低阻值的,接触电势与电流无关(即无整流作用),其伏安特性是线性的.当金属和半导体接触时,前面已谈到形成肖特基

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势垒的两种情况,还有两种情况会形成欧姆接触.

仍以N 型半导体为例.若N 型半导体的逸出功大于金属的逸出功,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、无整流图3　积累层的能带图的特性,其积累层的能带如图3所示.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.上述两种接触由于不存在表面势垒,当然不能作为

非线性电阻,但可作为半导体和金属电极之间的欧姆

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.

3　肖特基二极管及应用

肖特基二极管是近年来问世的一种低功耗、大电流、超高速的半导体整流器件,

其内

图4　肖特基二极管结构图部结构如图4所示.它以N 型半导体为基片,在上面形成用砷作掺杂

剂的N -型外延层,阳极采用贵金属钼作材料,二氧化硅用来消除边缘

区域的电场,提高管子的耐压值.N 型基片具有很小的导通电阻,其掺

杂浓度较N -型层要高100倍.在N 型基片下面形成N +型阴极层,其作

用是形成欧姆接触.通过调整结构参数,可在基片与阳极金属之间形成

合适的肖特基势垒.加上正偏电压时,即金属接正极、N 型基片接负极,

势垒变窄;加反偏电压时,势垒变宽.可见,在肖特基二极管的结构中,

金属与半导体之间既有欧姆接触,又有肖特基势垒.

肖特基二极管的结构及原理与PN 结二极管有很大区别.前者仅用一种载流子,在势垒外侧无过剩载流子的积累,因此不存在电荷的储存问题,反向恢复电荷近于零,使开关特性得到明显改善,反向恢复时间可缩短到10n s 以内,但其反向耐压较低,一般不超过100V .因此被广泛用作高频、低压、大电流整流,近年来又被用于微波混频和检波,尤其在微波鉴频器中,两个支路的检波器特性应尽可能一致且稳定可靠,比较理想的是肖特基二极管检波器,因此这种半导体器件是微波领域中一种重要的微波器件.参考文献:

[1]　〔美〕森吐瑞,韦德劳著,清华大学应用电子学及电工学教研组译.电子线路及应用〔M 〕

.北京:人民邮电出版社,1981.186—187.

[2]　王蕴仪等.微波器件与电路〔M 〕

.南京:江苏科学技术出版社,1981.3—6.551第2期孟庆忠:肖特基势垒和欧姆接触