毕业论文(2)

常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文

第3章 金属半导体接触整流理论

3.1 扩散理论

当势垒宽度大于电子的平均自由程，电子通过势垒要经过多次碰撞，这样的阻挡层称为厚阻挡层。（耗尽层近视）

大规模集成电路和超大规模集成电路的迅速发展对目前仍为主流的半导体材料硅中的扩散问题的研究起了巨大的推动作用。由于制作硅器件需要掺杂,而掺杂常用核技术即离子注入技术,但这种技术会造成晶格损伤。为了使晶格损伤得到恢复,通常的做法是退火处理。在退火过程中,晶格得到恢复,载流子被激活,同时伴随着杂质扩散,使得杂质浓度剖面发生各种变化,精确控制杂质浓度剖面是半导体工业中关键的技术之一。

近年来,大规模集成电路的集成度越来越高,线条的宽度愈来愈窄,以及多孔硅光电子器件研制,这些都对扩散理论研究提出了更高的要求。可以预见,将来的主流半导体材料仍然是硅及其多孔化后的多孔硅.关于B在Si中的扩散,起支配作用的是替位扩散机制还是填隙扩散机制,至今尚未得到一致的结论。不过,由于空位-替位扩散机制在定量研究方面已经取得了令人瞩目的进展,属于目前的主流,为较多的研究者所公认。在半导体器件的研制过程中,对于掺杂浓度较低的情况,由于器件集成度的提高, P-n结越做越浅,为保持原有的电学特性,要求杂质浓度越来越高,随之带来了各种偏离现象。B在Si中的扩散就源于此。

近年来,随着金属薄膜技术、半导体扩散技术、陶瓷烧结技术等领域的发展,各种性能优异的电子传感器在汽车系统中不断应用,特别是微机的应用更促使汽车电子传感技术有了很大发展。国外汽车电子化的发展速度很快,装有各种先进电子设备的新型汽车不断面世。电子传感器是汽车电控系统中的主要组成部分,也是促进汽车电子化迅速发展的关键技术之一。可见金属、半导体接触的接触效应的重要意义。

3.2 热电子发射理论

当N型阻挡层很薄，电子平均自由程大于势垒宽度。起作用的是势垒高度而不是势垒宽度。电流的计算归结为超越势垒的载流子数目。一般当金属温度上升到1000℃以上时,动能超过逸出功的电子数目极具增多,大量电子由金属中逸出,这就是热电子发射。

假定，由于越过势垒的电子数只占半导体总电子数很少一部分，故半导体内的电子浓度可以视为常数。

加热金属使其中的大量电子克服表面势垒而逸出的现象。与气体分子相似,金属内自由电子作无规则的热运动,其速率有一定的分布。在金属表面存在着阻碍电子逃脱出去的作用力,电子逸出需克服阻力作功,称为逸出功。在室温下,只有极少量电子的动能超过逸出功,从金属表面逸出的电子微乎其微。若无外电场,逸出的热电子在金属表面附近堆积,成为空间电荷,它将阻止热电子继续发射。通常以发射热电子的金属丝为阴极,另一金属板为阳极,其间加电压,使热电子在电场作用下从阴极到达阳极,这样不断发射,不断流动,形成电流。钢铁在低温时不可能有热电子发射,在600℃温度下也几乎没有热电子发射随着电压的升高,单位时间从阴极发射的电子全部到达阳极,于是电流饱和。许多电真空器件的阴极是靠热电子发射工作的。由于热电子发射取

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决于材料的逸出功及其温度,应选用熔点高而逸出功低的材料来做阴极。

除热电子发射外,靠电子流或离子流轰击金属表面产生电子发射的,称为二次电子发射,靠外加强电场引起电子发射的称为场效发射,靠光照射金属表面引起电子发射的称为光电发射。各种电子发射都有其特殊的应用。

在热电子发射理论的发展初期, Langmiur提出了单原子层和偶极子理论。就是说:一种原子或分子吸附在其它金属的基底上,所形成的偶极子使金属的逸出功下降。当吸附满一单原子层时,逸出功下降最多,即此时电子发射最大。这理论简单而明确。然而随着实验的不断深入,暴露出单原子层和偶极子理论的许多矛盾。1957年Nergaard提出单原子层并不存在的说法。1967年有人对偶极子理论作了批判，但是他们最后都用半导体模型来解释薄层发射现象。

显然，单位面积而言，大小为VX的体积内，速度范围的电子都可以达到金属和半导体界面。

电子从金属到半导体所面临的势垒高度不随外加电压而变化，所以从金属到半导体的电子所形成的电流密度为常量。

Ge、SI、GaAs有较高的载流子迁移率，有较大的平均自由程，因此在室温下主要是多数载流子的热电子发射。

3.3 肖特基势垒二极管

肖特基二极管SBD（肖特基 Barrier Diode），又称为金属-半导体二极管,是近年来的低功耗、大电流、超高速半导体器件。肖特基（肖特基）二极管，它属一种低功耗、超高速半导体器件。最显著的特点为反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降低仅0.4V左右。其多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。在通信电源、变频器等中比较常见。一个典型的应用，是在双极型晶体管BJT的开关电路里面, 通过在BJT上连接Shockley二极管来箝位，使得晶体管在导通状态时其实处于很接近截止状态，从而提高晶体管的开关速度。这种方法是74LS，74ALS，74AS 等典型数字IC的TTL内部电路中使用的技术。肖特基（肖特基）二极管的最大特点是正向压降VF比较小。在同样电流的情况下，它的正向压降要小许多。另外它的恢复时间短。它也有一些缺点：耐压比较低，漏电流稍大些。选用时要全面考虑。SBD用某些金属和半导体相接触，在它们的交界面处便会形成一个势垒区（通常称为“表面势垒”或“肖特基势垒”），产生整流，检波作用。其金属层除钨材料外，还可以采用金、钼、镍、钛等材料。其半导体材料采用硅或砷化镓，多为N型半导体。

图3-1 肖特基二极管

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与PN结的相同点：单向导电性

与PN结的不同点：PN结正向电流为非平衡少子扩散形成的电流，有明显的电荷储存效应；肖特基势垒二极管的正向电流主要是半导体多数载流子进入金属形成的，是多子器件，无积累，因此高平特性更好；肖特基二极管JSD和JST比PN结反向饱和电流JS大得多。因此肖特基二极管有较低的正向导通电压，一般为0.3V左右。

用途：钳位二极管（提高电路速度）等

3.4 少数载流子的注入

加正向电压时，势垒降低，形成自外向内的空穴流，形成的电流与电子电流方向一致。

空穴电流大小，取决于阻挡层的空穴浓度。加正向电压时，少数载流子电流与总电流之比称为少数载流子的注入比。

加正电压时，势垒两边的电子浓度将保持平衡值，而空穴在阻挡层内界形成积累，然后再依靠扩散运动继续进入半导体内部。因为平衡值P0很小，所以相对的增加就很显著。半导体通过外界作用而产生非平衡载流子的过程称作载流子注入。利用光照在半导体内引入非平衡载流子的方法称为载流子的光注入。除光照外，还可以利用其他能量传递方式在半导体中注入载流子，最常用的方法，称作载流子电注入。电注入载流子现象的发现直接导致半导体放大器的发明。在不同条件下，载流子注入的数量是不同的。

当注入载流子浓度与热平衡时多数载流子浓度相比很小时，多数载流子浓度基本不变，而少数载流子浓度近似等于注入载流子浓度，这通常称作小注入情况；若注入载流子浓度可与多数载流子浓度相比，则称作大注入情况。

3.5 镜像力和隧道效应的影响

3.5.1 镜像力的影响

当在金属表面以外（距离为r）放置一个正电荷（+q）时，那么该电荷即将在金属表面上（不是内部）感应出负电荷（-q）；这两个正、负电荷之间将要相互吸引，该吸引力可以采用所谓镜像电荷的概念来计算：认为在金属表面以内离表面r处有一个负电荷（-q），这个（-q）与表面以外的（+q）的库仑作用力就是镜像力（力的大小与r成反比）。

由于这种镜像力的作用，将使得金属的功函数（即金属与真空之间的势垒高度）有所下降（即使得金属中的电子更加容易发射出来）；对于金属-半导体接触的肖特基势垒来说，即将肖特基势垒高度降低。这种由于镜像力而使得势垒高度降低的现象，称为镜像力效应。

镜像力效应是影响肖特基二极管导电性能的一个重要因素。

在金属—真空系统中，一个在金属外面的电子，要在金属表面感应出正电荷，同时电子要受到正电荷的吸引。

若电子距金属表面的距离为X，则它与感应正电荷之间的吸引力，相当于该电子与位于（-X）处的等量正电荷之间的吸引力，这个正电荷称为镜像电荷。这个吸引力称为镜像力。镜像力所引起的势垒低量随反向电压的增加而缓慢的增大。当反向电压较高时，势垒的低压变得明显，镜像力的影响显得重要。 3.5.2 隧道效应的影响

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在两层金属导体之间夹一薄绝缘层，就构成一个电子的隧道结。实验发现电子可以通过隧道结，即电子可以穿过绝缘层，这便是隧道效应。

使电子从金属中逸出需要逸出功，这说明金属中电子势能比空气或绝缘层中低。于是电子隧道结对电子的作用可用一个势垒来表示，为了简化运算，把势垒简化成一个一维方势垒。

产生隧道效应的原因是电子的波动性。

能量低于势垒顶的电子有一定的概率穿过势垒，穿透的概率与电子能量和势垒厚度有关。

对于一定能量的电子，存在一个临界势垒厚度XC，若XD>XC，则电子完全不能穿过势垒；若XD

镜像力和隧道效应对反向特性影响显著：引起势垒高度的降低，使反向电流增加。反向电压大，势垒降低越显著。

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