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(共12张PPT)
金属与半导体总结
小结与补充 金属与半导体接触
N型 P型
Wm>Ws 阻挡层(整流接触) 反阻挡层(欧姆接触)
Wm整流理论
扩散理论(适用于厚阻挡层)
热电子发射理论(适用于阻挡层很薄)
厚阻挡层：势垒宽度比电子的平均自由程大得多时，这样的阻挡层就是厚阻挡层
电子平均自由程远大于势垒宽度，
电子在势垒区的碰撞可以忽略，
这时候，起决定作用的是势垒高度。
半导体内部的电子或者金属内部的电
子只要有足够能量越过势垒，就可以
通过阻挡层。
界面态对势垒高度会有影响
1
2
整流就是单向导电，类似于PN结
肖特基势垒二极管和PN结二极管比较
1)高的工作频率和开关速度
肖特基势垒:无少字存储效应,所以频率特性不受电荷存储效应限制, 只是受到RC时间常数(τ=RC)限制。
PN结:从正偏到反偏,存储的少子不能立刻消失,并且速度受少子存储效应的限制。
所以,肖特基二极管对于高频和快速开关应用是理想的。
(少子存储效应即电荷存储, pn结是少子器件，外加正向偏压（p正n负），使得n区电子漂移运动经过空间电荷区来到p区边界，p区空穴来到n区边界，形成少数载流子的积累，即电荷存贮效应)
ωc是截止频率,
因为rd>>rs,所以有
ωc2=
Cd2rdrs
1
对于高频运用,cd、rd、rs都应该很小。如果半导体具有高杂质浓度和高迁移率。那么是能够实现小rs的,通过采用GaAs材料,工作频率可达到100GHz。
肖特基势垒箝位晶体管
由于肖特基势垒具有快速开关响应,因而可以把它和NPN晶体管的集电结并联连接,以减小晶体管的存储时间,如左下电路图所示,当晶体管饱和,集电结被正向偏置约为0.5V
C
B
E
电路图
C
E
B
N+
N+
N
P
N+
集成结构
若肖特基二极管上的正向压降(一般为0.3V)低于晶体管基极-集电极的开态电压,则大部分过量基极电流将流过二极管,该二极管没有少数载流子存储效应,因此,与单独的晶体管相比,合成器件肖特基势垒箝位晶体管的存储时间得到了显著的降低。测得的存储时间可以低于1ns。肖特基势垒箝位晶体管是按上图集成电路的形式实现的。铝在轻掺杂的N型集电区上形成极好的肖特基势垒,同时在重掺杂的P型基区上形成优良的欧姆接触.这两种接触可以只通过一步金属化实现,不需要额外的工艺。
欧姆接触-非整流的M-S结
定义:
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φm<φs的理想的金属和N型半导体对。它们在接触之前的能带图如图(a)所示。图(b)所示为当做成接触时载流子交换产生的能带图。在结处几乎不存在势垒,因此,载流子可以自由地通过任一方向,结果为这种M-S结是非整流的。
qφm
EFM
χs
qφs
Ec
Ev
EFs
金属
半导体(N型)
图(a)接触之前
金属
半导体
Ev
Ec
EF
q(φs -φm)
图(b)接触之后处于平衡态
φm<φs的理想金属和N型半导体的接触的能带图
可以证明,具有φm>φs的金属-P型半导体对也是欧姆接触,但若φm<φs则为整流结。
EF
金属
半导体
Ec
Ev
图(c)在半导体一边加上负电压
EF
金属
半导体
Ec
Ev
图(d)在半导体一边加上正电压
φm<φs的理想金属和N型半导体的接触的能带图
实际上,不论N型还是P型半导体,由于在界面态上的电荷效应,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,特别是当半导体为低掺杂时尤其如此。但如果半导体为重掺杂,例如,具有1019cm-3或更高的杂质密度,那么金属-半导体接触为欧姆接触。在图(a)中,若N型半导体是重掺杂的,空间电荷宽度W变得如此之薄,以至于载流子可以隧道穿透而不是越过势垒。由于在势垒每边的电子都可能隧道穿透到另一边,所以实现了在正、反向偏压下基本上对称的I-V曲线。因此,势垒是非整流的,并有一低电阻,在Nd>1019cm-3的N型Si上蒸发Al、Au或Pt都可以实现实际的欧姆接触。这也是器件工艺中采用重掺杂衬底的原因之一。
下图所示为 在小的正偏压下欧姆接触(非整流)M-S结的能带图和它的I-V特性
EC
EF
EV
电子
I
O
V
金属在N+半导体上的接触的能带图和电流-电压特性
基于金属-半导体整流接触特性制成的肖特基势垒二极管和PN结具有类似的电流电压关系，即都具有单向导电性。
肖特基二极管具有高频，正向导通电压低的特性，在高速集成电路，微波技术等领域有重要应用，但是缺点是不能耐高压。
3
欧姆接触：就是形成了反阻挡层，无明显附加阻抗，不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著改变。欧姆接触的压降远小于样品或者器件本身的压降，不会影响器件的电流电压特性。
在实际生产中，主要利用隧道效应的原理在半导体上制造欧姆接触。
重掺杂的PN结就可以产生显著的隧道电流，如果半导体掺杂浓度很高，则势垒区宽度变的很薄，电子贯穿势垒会产生大的电流，这时候接触电阻就很小，可以用作欧姆接触。
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谢谢

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