时则为负。
103
104 Js
由肖持基二极管实验所得的I-V特性。
105
将正向I-V曲线延伸至V=0，可以获得
Js，由上式即可求得势垒高度。
106
W - Si W - GaAs
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现代半导体器件物理
107 0
0.1 VMF /EVSFET0.及2 相关器件01.35
金属-半导体接触
➢肖特基二极管被视为单极性器件的原因
➢热平衡时
电流密度由两个大小相等、但方向相反的载流子流组成，因此
净电流为零。半导体中的电子倾向于流入金属中，并有一反向
的平衡电子流由金属进入半导体中，其大小与边界的电子浓度
成正比。
J ms J sm nth
nth＝N
cexp
－
qBn
kT
J ms
J sm
C1 N c
exp
qBn
kT
Jm s
Js m
金属与n型半导体接触也存有少数载流子(空穴)电流，它是由金
属中的空穴注入半导体所产生。空穴的注入与p+-n结的情况相
同。其电流密度为
Jp
J
po
exp
qV kT
1
J po
qDp ni 2 Lp N D
在正常工作情况下，少数载流子电流大小比多数载流子
电流少了几个数量级。因此，肖特基二极管被视为单极性器 件，亦即主要由一种载流子来主导导通的过程。
欧姆接触的一个指标为比接触电阻Rc，其定义为
RC
J V
1
V 0
➢ 低掺杂浓度的金属-半导体接触，热电子发射电流在电流的 传导中占有主要的地位。
RC
k qAT
exp （ qBn ）
kT
为了获得较小的RC，应该使用具有较低势垒高度的金属-半导 体接触。
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MESFET及相关器件 19
n 型n半型导半体导体
p 型p 型半半导导体体
偏压为零
q
q
Bn
Bn
正向偏压
（+）
势垒降低了VF
qVbqiVbi
ECEC EFEF
q(Vqb(iVbVi F )VF )
EVE(aV)(a热) 热平平衡衡
qqBnBn
qVFqVF
（-）（-）
(b) 正向偏压 (b) 正向偏压
qVqVbibi
qVqFVF q(Vbi VF) q(Vbi VF)
qs EC EF
EV (b) 热平衡时金属－半导体接触的能带图
则
q(Bn + Bp ) Eg
图 6. 2
在n型和p型衬底上的势垒高度和，恰等于半导体的禁带宽度
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现代半导体器件物理
MESFET及相关器件 5
金属-半导体接触
q(m ) 金属
EC EF
EV 半导体
Vbi 为 电 子 由 半 导 体 导 带上欲进入金属时遇到 的内建电势
EV 半导体
半导体
(a) 热平衡情形下，一独立金属靠近一独立 n 型半导体的能带图
理想状况下， 金属与n型半导体的势垒高度
qBn qm qx
EF
金属与p型半导体势垒高度
qBp Eg (qm qx)
(b) 金半接触的一维结构
q qm
qBn q(m )
图 6. 1
qVbi q(m s )
金属
独立金属能带图
独立n型半导体能带图
真空能级
金属的功函数 qm
q 半导体
q(m )
qs 半导体的功函数
EC EF
欧姆接触
金属
EV 半导体
➢金-半接触可分为两种(a)形平面式工：艺所整制作流的金性半与接触非的透整视流图 的欧姆性。 (a) 热平衡情形下，一独立金属靠近一独立 n 型半导体的能带图 金属
因势垒Bn维持与平衡时相同，由金属流向半导体的电子流量维持不变 正向偏压下的净电流为 ： J J sm J ms
C1 N c
exp
qBn
kT
VF
C1N c
exp
qBn kT
C1 N c
exp
qBn kT
exp
qVF kT
1
➢反向偏压的净电流的表示 J m s
式与上式相同，只是其中的
kT q
ln
NC NDຫໍສະໝຸດ 1412W - Si
10
0.0259ln
2.86 1019 2.7 1015
0.24V
8 6
W - GaAs
因为截距为0.42V，因此势垒高度为
4
截距
Bn 0.42V + 0.24V 0.66V
2
0
1
0
1
2
3
4
V /V
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现代半导体器件物理图 6. 6 钨－硅与钨－砷化镓二极管M的 1E/ CS2F与E外T加及电相压V关的器关系件图 11
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V
q
半导体
qm
qVbi q(m s )
qBn q(m 现 )代半导体器件物理
qs MESFET及相关器件 4
真空能级
金属-半导体接触
➢ 能带情况
欧姆接触
qm
q
qs
(a) 平面工艺所制作的金半接触的透视图
q(m )
金属
EC EF
金-半接触并处于热平衡时，两者 金属V 费米能级相同，真空能级必须连续
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MESFET及相关器件 9
金属-半导体接触
每单位面积的耗尽区电容C则可由上式计算得到：
C QSC q S N D S
V
2(Vbi V ) W
即
1 2(Vbi V )
C2
q s N D
对于均匀掺杂情况，即ND为定值，则1/C2对V作图可得一直线，且
1/C2=0的截距即为内建电势Vbi
14
一旦Vbi已知，则势垒高度由下式求得
12
W - Si
Vbi Bn Vn
10
将l/C2对V作微分，重新整理可得 杂质的分布
2 1
ND
q S
d(1
/
C
2
)
/
dV
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8
6
4
截距
2
0
1
0
W - GaAs
1
2
3
4
V /MV ESFET及相关器件 10
金属-半导体接触
例1：求出如图所示钨-硅二极管的施主浓度与势垒高度。
解： 由图得
d(1/ C 2 ) 6.2 1015 (cm2 / F )2 1.8 1015 (cm2 / F )2 4.4 1015 (cm2 / F )2
dV
1V 0V
V
ND
1.6 1019
2 (11.9
8.85
10
14
)
4.4
1 1015
2.7 1015 cm3
Vn
EC
EF q
Vbi Bn Vn
(a) 热平衡情形下，一独立金属靠近一独立 n 型半导体的能带图
q qm
qBn q(m ) EF
qVbi q(m s )
qVn
qs EC EF
EV (b) 热平衡时金属－半导体接触的能带图
图 6. 2
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MESFET及相关器件 6
金属-半导体接触
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金属-半导体接触
例2：对ND=1016cm-3的钨-硅肖特基二极管而言，请由下图求出势垒高度与 耗尽区宽度。假设硅中少数载流子的寿命为10-6s，比较饱和电流Js与 Jpo。
100
解： 由图可得Js=6.5×10-5A/cm2，
101
因此势垒高度可由
qN D
为了计算少数载流子电流密度Jpo，须知道Dp，对浓度ND=1016cm-3而言， 其值为10cm2/s，而
Lp DP P 10106 cm＝3.1103 cm
因此
J
＝
po
qDP n i 2 LP N D
1.6 1019
10 (9.65109 )2
A / cm2＝4.8 1012 A / cm2
0.17V
图 6. 8
107 0
0.1 VF / V 0.2
0.3
钨-硅与钨-砷化镓二极管的正向电流密度与外加电压
因此 Vbi 0.67V 0.17V 0.50V
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金属-半导体接触
当V=0时，热平衡时的耗尽区宽度为
W 2 sVbi 2.6 105 cm
102
J F/(A • cm2 )
Js
AT 2exp qBn
kT
得到：
103
W - Si
Bn
0.0259
ln
110 6.5
3002 105
V
0.67V
104 Js
105
W - GaAs
内建电势为Bn-Vn，其中
106
Vn
0.0259
ln
NC ND
0.0259ln
2.86 1019 11016
qBn
k1T
exp
qVF kT
1
系数C1NC = A*T2．A*的值视有效质量而定，对n型与p型硅而言，其值分别
为110和32，而对n型与p型砷化镓而言，其值分别为8和74。