肖特基势垒

肖特基势垒是指具有整流特性的金属-半导体接触，就如同二极管具有整流特性。是金属-半导体边界上形成的具有整流作用的区域。 肖特基势垒指具有大的势垒高度（也就是ΦBn 或者 ΦBp >>kT）,以及掺杂浓度比导带或价带上态密度低的金属-半导体接触（施敏, 半导体器件物理与工艺, 第二版, 7.1.2）。 肖特基势垒是指具有整流特性的金属-半导体接触，就如同二极管具有整流特性。是金属-半导体边界上形成的具有整流作用的区域。 金属与n型半导体形成的肖特基势垒如图1所示。金属—半导体作为一个整体在热平衡时有同样费米能级。肖特基势垒相较于PN界面最大的区别在于具有较低的界面电压，以及在金属端具有相当薄的(几乎不存在)空乏区宽度。由半导体到金属，电子需要克服势垒；而由金属向半导体，电子受势垒阻挡。在加正向偏置时半导体一侧的势垒下降；相反，在加反向偏置时，半导体一侧势垒增高。使得金属-半导体接触具有整流作用(但不是一切金属—半导体接触均如此）。如果对于N型半导体,金属的功函数大于半导体的功函数，对于P型半导体，金属的功函数小于半导体的功函数，以及半导体杂质浓度不小于10^19/立方厘米数量级时会出现欧姆接触，它会因杂质浓度高而发生隧道效应，以致势垒不起整流作用。并非所有的金属-半导体接面都是具有整流特性的，不具有整流特性的金属-半导体接面则称为欧姆接触。整流属性决定于金属的功函、固有半导体的能隙，以及半导体的掺杂类型及浓度。在设计半导体器件时需要对肖特基效应相当熟悉，以确保不会在需要欧姆接触的地方意外地产生肖特基势垒。当半导体均匀掺杂时肖特基势垒的空间电荷层宽度和单边突变P-N结的耗尽层宽度相一致。 优点 由于肖特基势垒具有较低的界面电压，可被应用在某器件需要近似于一个理想二极管的地方。在电路设计中，它们也同时与一般的二极管及晶体管一起使用, 其主要的功能是利用其较低的界面电压来保护电路上的其它器件。 然而，自始至终肖特基器件相较于其它半导体器件来说能被应用的领域并不广。 器件 肖特基二极管，肖特基势垒自身作为器件即为肖特基二极管。 肖特基势垒碳纳米管场效应晶体管FET：金属和碳纳米管之间的接触并不理想所以层错导致肖特基势垒，所以我们可以使用这一势垒来制作肖特基二极管或者晶体管等等。 实际使用 （1）价带电子； （2）自由电子或空穴（free carrier）； （3）存在于杂质能级上的电子。 太阳电池可利用的电子主要是价带电子。由价带电子得到光的能量跃迁到导带的过程决定的光的吸收称为本征或固有吸收。 太阳电池能量转换的基础是结的光生伏特效应。当光照射到pn结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。它们在pn结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，n区带负电，在n区和p区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流，另一方面，若将pn结两端开路，则由于电子和空穴分别流入n区和p区，使n区的费米能级比p区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差voc。可以测得这个值，并称为开路电压。由于此时结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二极管的正向电流相等，并由此可以决定voc的值。 肖特基势垒 肖特基势垒 太阳电池的能量转换过程 太阳电池是将太阳能直接转换成电能的器件。它的基本构造是由半导体的pn结组成。此外，异质结、肖特基势垒等也可以得到较好的光电转换效率。本节以最普通的硅pn结太阳电池为例，详细地观察光能转换成电能的情况。 首先研究使太阳电池工作时，在外部观测到的特性。当太阳光照射到这个太阳电池上时，将有和暗电流方向相反的光电流iph流过。 当给太阳电池连结负载r，并用太阳光照射时，则负载上的电流im和电压vm将由图中有光照时的电流一电压特性曲线与v=-ir表示的直线的交点来确定。此时负载上有pout=ri2m的*gong*率消耗，它清楚地表明正在进行着光电能量的转换。通过调整负载的大小，可以在一个最佳的工作点上得到最大输出*gong*率。输出*gong*率（电能）与输入*gong*率（光能）之比称为太阳电池的能量转换效率。 下面我们把目光转到太阳电池的内部，详细研究能量转换过程。太阳电池由硅pn结构成，在表面及背面形成无整流特性的欧姆接触。并假设除负载电阻r外，电路中无其它电阻成分。当具有hν（ev）（hν>eg，eg为硅的禁带宽度）能量的光子照射在太阳电池上时，产生电子―空穴对。由于光子的能量比硅的禁带宽度大，因此电子被激发到比导带底还高的能级处。对于p型硅来说，少数载流子浓度np极小（一般小于105/cm），导带的能级几乎都是空的，因此电子又马上落在导带底。这时电子及空穴将总的hν - eg（ev）的多余能量以声子（晶格振动）的形式传给晶格。落到导带底的电子有的向表面或结扩散，有的在半导体内部或表面复合而消失了。但有一部分到达结的载流子，受结处的内建电场加速而流入n型硅中。在n型硅中，由于电子是多数载流子，流入的电子按介电驰豫时间的顺序传播，同时为满足n型硅内的载流子电中性条件，与流入的电子相同数目的电子从连接n型硅的电极流出。这时，电子失去相当于空间电荷区的电位高度及导带底和费米能级之间电位差的能量。设负载电阻上每秒每立方厘米流入n个电子，则加在负载电阻上的电压v=qnr=ir表示。由于电路中无电源，电压v=ir实际加在太阳电池的结上，即结处于正向偏置。一旦结处于正向偏置时，二极管电流id=i0[exp(qv/nkt)-1]朝着与光激发产生的载流子形成的光电流iph相反的方向流动，因而流入负载电阻的电流值为在负载电阻上，一个电子失去一个qv的能量，即等于光子能量hν转换成电能qv。流过负载电阻的电子到达p型硅表面电极处，在p型硅中成为过剩载流子，于是和被扫出来的空穴复合，形成光电流       肖特基 MC7808ABTG 的特点 制造商：ON Semiconductor 系列：-： 包装 ?：管件 零件状态：在售 输出配置：正 输出类型：固定 稳压器数：1 电压 - 输入（最大值）：35V 电压 - 输出（最小值/固定）：8V 电压 - 输出（最大值）：- 压降（最大值）：2V @ 1A（标准） 电流 - 输出：1A 电流 - 静态（Iq)：6mA PSRR：62dB（120Hz） 控制特性：- 保护功能：超温，短路 工作温度：-40°C ~ 125°C 安装类型：通孔 封装/外壳：TO-220-3 供应商器件封装：TO-220AB 基本零件编号：MC7808

1、什么是金属－半导体接触的多子阻挡层和反阻挡层？什么是肖特基接触？ 答：金属与N型半导体接触，当Wm>Ws 时：势垒区中的表面附近的能带向上弯曲，半导体表面电子浓度比体内小得多，为多子(电子)耗尽，因此，它是一个高阻区；多子(电子)在金属和半导体两边转移时，都需要克服一定的势垒，故，通常也将之称为多子阻挡层。 金属与N型半导体接触，Wm>x D )适用于此理论。此时，电子在势垒区的碰撞可以忽略，对于电子而言，势垒的形状并不重要，起决定作用的是势垒顶点的高度——半导体体内的电子只要有足够的能量超过势垒的顶点，就可以自由地通过阻挡层进入金属；同样，金属中能超越势垒顶的电子也能达到半导体体内；所以电流的计算就归纳为计算超越势垒的载流子数目，这就是热电子发射理论。 对于非简并半导体，单位体积中能量在E ～E+dE中的电子数目为： 取垂直于界面由半导体指向金属的方向为v x 的正方向，显然就单位截面积而言，大小为v x 的体积中，在其内的所有电子，单位时间内都可以达到金属和半导体的界面： 这些电子总数为：dN = v x .1.1.dn 在半导体侧的这些电子中，有能力越过势垒到达金属的电子，其v x 必须达到： 2 / 1 0 2 )] ( 2 1 [ ) ( 2 1 V V q m v V V q v m D n x D x n z y x kT v v v m n dv dv dv v e kT m n dn z y x n 2 2 ) ( 2 3 0 4 ) 2 ( 2 2 2 即：仅有v x 在[v x0 ,+ ] 范围内的电子可以越过势垒，所以，单位时间内，达到金-半界面的电子数为： 这时所形成的电流为： 0 x v dN N 常数 称为 其中， Richardson k qm h A e e T A dN q qN J kT qV kT q v m s ns x 2 * 3 2 4 1 0 电子从金属向半导体运动（发射）时遇到的势垒高度为q m ，不随外加电压而改变， 故电流是个恒定值，它在热平衡时(V=0) 与从半导体运动（发射）到金属的电子流相抵消，即： 电流的表达式还可以写成以下形式： 0 8 ( 1) , 4 D F q V q V k T k T n q v n k T J e e v m 其中 ) 1 ( ) 1 ( 0 0 2 * 2 * 0 kT qV kT qV kT q s m m s n kT q s m V m s s m F F m m F e J e e T A J J J e T A J J J 总电流形式为： 电流通过热电子发射过程的输运： Si、Ge、GaAs材料的载流子迁移率较高，热电子发射理论对它们比较适用。

半导体及其基本特性

1.1 金属 - 半导体 - 绝缘体

我们知道，自然界中的物质大致可分为气体、液体、固体、等离子体 4 种基本形态。在固体材料中，根据其导电性能的差异，又可分为金属、半导体和绝缘体。例如，铜、铝、金、银等金属；它们的导电本领都很大，是良好的导体；橡胶、塑料、电木等导电本领很小，是绝缘体；制造半导体器件的主要材料硅、锗、砷化镓等，它们的导电本领比导体小而比绝缘体大，叫做半导体。

物体导电本领的大小可用 电 阻 率 来表示。金属导体的电阻率约在 10 -4 W ·cm 以下，绝缘体的电阻率约在 10 9 W ·cm 以上，半导体的电子率是介于二者之间，约在 10 -4 ~ 10 9 W ·cm 。 图 1.1 列出这三类中一些重要材料的电阻率和 电导率 。

图 1.1

1.2 常见的半导体材料

• 元素半导体

有关半导体材料的研究开始于 19 世纪初。多年以来许多半导体已被研究过。 表 1.1 列出周期表中有关半导体元素的部分。在周期表第 IV 族中的元素如硅（ Si ）、锗（ Ge ）都是由单一原子所组成的元素半导体。在 20 世纪 50 年代初期，锗曾是最主要的半导体材料。但自 60 年代初期以来，硅已取而代之成为半导体制造的主要材料。现今我们使用硅的主要原因，乃是因为硅器件在室温下有较佳，且高品质的硅氧化层可由热生长的方式产生。经济上的考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的硅材料，远比其他半导体材料价格低廉。在二氧化硅及硅酸盐中的硅含量占地表的 25 ％，仅次于氧。到目前为止，硅可说是周期表中被研究最多且技术最成熟的半导体 元素 。

表 1.1 周期表中于半导体相关的部分

• 化合物半导体

近年来一些 化合物 半导体已被应用于各种器件中。 表 1.2 列出与两种元素半导体同样重要的化合物半导体。二元化合物半导体是由周期表中的两种元素组成。例如， III-V 族元素化合物半导体砷化镓（ GaAs ）是由 III 族元素镓（ Ga ）及 V 族元素砷（ As ）所组成。

除了二元化合物半导体外，三元及四元半导体化合物半导体也各有其特殊用途。由 III 族元素铝（ Al ）、镓（ Ga ）及 V 族元素砷（ As ）所组成的合金半导体 Al x Ga 1-x As 即是一种三元化合物半导体，而具有 A x B 1-x C y D 1-y 形式的四元化合物半导体则可由许多二元及三元化合物半导体组成。例如，合金半导体 Ga x In 1-x As y P 1-y 是由磷化镓（ GaP ）、磷化铟（ InP ）、砷化铟（ InAs ）及砷化镓（ GaAs ）所组成。与元素半导体相比，制作单晶体形式的化合物半导体通常需要较复杂的程序。

许多化合物半导体具有与硅不同的电和光的特性。这些半导体，特别是砷化镓（ GaAs ），主要用于高速光电器件。虽然化合物半导体的技术不如硅半导体技术成熟，但硅半导体技术的快速发展，也同时带动化合物半导体技术的成长。

1.3 半导体导电性的特点

实际上，金属、半导体和绝缘体之间的界限并不是绝对的。通常，当半导体中的杂质含量很高时，电导率很高，呈现出一定的金属性，而纯净半导体在低温下的电导率很低，呈现出绝缘性。一般半导体和金属的区别在于半导体中存在着 禁带 而金属中不存在禁带；区分半导体和绝缘体则更加困难，通常根据它们的禁带宽度及其温度特性加以区分。

半导体的导电性究竟具有哪些特点呢？大致可归纳以下几个方面：

（ 1 ）半导体的电阻率对温度的反应灵敏。纯净半导体的电阻率随温度变化很显著，而且电阻率随温度升高而下降。例如纯锗，当温度从 20 o C 升高到 30 o C 时，电阻率就降低一半左右。而金属的电阻率随温度的变化比较小，而且随温度升高电阻率增大。

（ 2 ）微量的杂质能显著地改变半导体的电阻率。例如在纯硅中掺入 6 ′ 10 15 /cm 3 的杂质磷或锑，即在硅中掺入千万分之一的杂质，就能使它的电阻率从 2.15 ′ 10 5 W ·cm 减小到 1 W ·cm ，降低了 20 万倍。晶格结构的完整与否也会对半导体导电性能有极大的影响。因此在制作半导体器件时除人为地在半导体中掺入有用杂质来控制半导体的导电性外，还要严格防止一些有害杂质对半导体的沾污，以免改变半导体的导电性能，使生产出来的器件质量下降，甚至报废。但金属中含有少量杂质时，看不出电阻率会有什么显著的变化。

（ 3 ）适当的光照可使半导体的电阻率显著改变。当某种频率的光照射半导体时，会使半导体的电阻率显著下降，这种现象叫光电导。自动控制中用到的光敏电阻就是利用半导体的光电导特性来制成的。但是，金属的电阻率不受光照影响。

总之，半导体的导电性能非常灵敏地依赖于外界条件、材料的纯度以及晶体结构的完整性等。半导体的导电性能所以有上述特点是由半导体内部特殊的微观结构所决定的，后面将叙述半导体导电的内在规律。

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