第四章 金属-半导体结
4-1． 一硅肖脱基势垒二极管有0.01 cm 2
的接触面积，半导体中施主浓度为1016
cm
3
-。
设V 7.00=ψ，V V R 3.10=。计算 （a ）耗尽层厚度，（b ）势垒电容，（c ）在表面
处的电场
解：（a ） 耗尽层厚度为
()cm qN V k W d R 4
16
19142
1
00102.110106.1111084.88.1122---?=??
??????????=?
?
?
???+=ψε (b) 势垒电容为
F W A k C 11
4
140107.810
2.101.01084.88.11---?=????==ε (c) 02
2εψk qN dx
d d -= ()0(W x << c x k qN dx d d +-=∴
εψ
在 0===w
x dx
d W x ψ
处，
，则上式为
)(0
W x k qN dx d d --=εψ
表面处电场，即0=x 时，
cm V k W qN dx
d d x /1084.110
84.88.11102.110106.1514
4161900
?=??????-=-=-
=---=εψε 4-2． （a ）从示于图4-3的GaAs 肖脱基二极管电容-电压曲线求出它的施主浓度、自建电
势势垒高度。
(b) 从图4-7计算势垒高度并与（a ）的结果作比较。
解：
)(210202ψε+=R d
V N A qk C 得 )1(2)1()(2
2
2
02020C V
A qk C d V d A qk N R d ??=+=
εψε 由图4-3知，1=A ，且当V V R 1
=时，)/(10412152
F cm C
?= V V R 2=时，)/(102.61
2152
F cm C
?=
15
2
102.21
)1(?=??∴
C V
31515
14191045.510
2.21084.88.11106.12
---?=??????=
∴cm N d V N N V V d c T n 17.010
45.5107.4ln 026.0ln 14
17
=??==∴ 由图中观察，知道 V V R 6.00=-=ψ （在01
2
=C 处）
)(77.017.06.00V n b =+=+=∴ψψψ
(b) 由图4-7知，当0=V 时，)/(106270cm A J -?=
A J V T AR I T
b
02*0)exp(=-
=ψ
())(79.010
6300120ln 026.0ln ln 7
2
02*2*0V J T R V T R J V T T b =???==-=∴-ψ 4-3． 画出金属在P 型半导体上的肖脱基势垒的能带结构图，忽略表面态，指出（a ）s m φφ>
和（b ）s m φφ<两种情形是整流节还是非整流结，并确定自建电势和势垒高度。
解：如下图所示
A. m s q q φφ>
B. m s q q φφ<
C.
4-4． 自由硅表面的施主浓度为15
3
10cm -，均匀分布的表面态密度为122110ss D cm eV --=，
电中性级为0.3V E eV +，问该表面的表面势应为若干？提示：首先求出费米能级与电中性能级之间的能量差，存在于这些表面态中的电荷必定与表面势所承受的耗尽
层电荷相等。
4-5． 已知肖脱基二极管的下列参数：V m 0.5=φ，eV s 05.4=χ，31910-=cm N c ，
31510-=cm N d ，以及k=11.8。假设界面态密度是可以忽略的，在300K 计算：
（a ）零偏压时势垒高度，自建电势，以及耗尽层宽度。
(b)在0.3v 的正偏压时的热离子发射电流密度。
解： )(95.005.40.5eV q q s m b =-=-=χφφ
)(24.01010ln 026.0ln 1519
V N N V V d C T n ===
)(71.024.095.00V V n b =-=-=∴φψ
)(106.910106.171.01084.88.11225
2
1151914
2
100
cm qN
k W d ---?=???? ????????=???
? ?
?=ψε （b ）
?
??
???-??? ??-??=??
????--=1026.03.0exp )026.095.0exp()300(1201)exp()exp(22*T T b V V V T R J φ 4
105.1-?=(A/cm 2
)
4-6．在一金属-硅的接触中，势垒高度为eV q b 8.0=φ,有效理查逊常数为
222/10*K cm A R ?=，eV E g 1.1=，31610-=cm N d ，以及31910-==cm N N v c 。
（a ）计算在300K 零偏压时半导体的体电势n V 和自建电势。
（b ）假设s cm D p /152=和um L p 10=，计算多数载流子电流对少数载流子电流的注
入比。
解：（a ）)(18.010
10ln 026.0ln 1619V N N V V d c T n ===
)(62.018.08.00V V n b =-=-=φψ
(b)
??
????--=1)ex p()ex p(
2*T T b V V
V T R J φ ??
???
?-=1)exp(
0T p p V V
J J )
exp()
exp()exp(2*0
2*0v
g p d c v p T b p T b P E E L N N N qD V T R J V T R J J
--=
-=∴φφ 44
1619
19192108.3)026.01
.1exp(10
1010101015106.1)
026.08
.0exp()300(100---?=-??????-?= 4-7． 计算室温时金-nGaAs 肖脱基势垒的多数载流子电流对少数载流子电流的比例。已知
施主浓度为10
15
3-cm ，um L p 1=，610p s τ-=，以及R R 068.0*=。
解：??
????-=??
????-=1)exp(1)exp(020T p d n i T p n p p V V
L N p qAn V V
L p qAD I
V b 90.0=φ，7210≈i n ，μp =s v cm ?/2502，
=p D μp s cm V T /5.6026.02502=?=
??
????--=1)ex p()ex p(
2
*T T b
n V V
V A T R I φ
)026.09.0()
10(5.6106.11010300120068.0)
exp(27194
1520
22*-???????=-=∴--exo L N p qAn V A T R I I p d n i T
b
p
n φ 5
105.6?=
4-8． 在一金属-绝缘体势垒中，外电场ε=104
V/cm ，介电常数为（a ）4,()12,k b k ==计
算φ?和m x ，将所得的结果与4－3节中的例题进行比较。
4-9． 在一金属一绝缘体势垒中，外加电场cm V E ext /104=，介电常数为（a ）k=4及(b) k=12，计算b φ?和m x 。
解：由 2
1
04???? ??=?k qE ext b πεφ 及 21
0016???? ?
?=k E q
x ext πε 可得
（a ）4=k 时，
)(1092.141084.8410106.122
114419V b ---?=?
??
?
???????=?πφ
)(105.94101084.181610
6.172
14419
0cm x ---?=?
??
? ???????=π
（b ）k=12 代入，同样可得 )(101.12V b -?=?φ )(105.570cm x -?=
4-10．（a ）推导出在肖特基二极管中dT
dV
作为电流密度的函数表达式。假设少数
载流子可以忽略。
（b ）倘若在300K 时，一般地V=0.25V 以及V b 7.0=φ，估计温度系数。 解：（a ）)exp()exp(1)exp()exp(
2*2*T T b T T b V V
V T R V V V T R J φφ-≈??
????--= ???
??
?=∴)exp(*ln 2
T b T V T R J V V φ ??
????=∴
)e x p (*ln 2T b T V T R J
dT dV dT dV φ
??????--+T V V V T R J
V T R J V T R J V T T b T b T b T b T
22
32
)exp(*)exp(*2)exp(*1
φφφφ
))2()2(T
b T
T b T V T V T V V T V T V φφ+-=--+= (b) 由(a)的结论知道，温度系数为
)/(1067.1)026
.07.02(300026.030025.0)2(3C V V T V T V dT dV T b T ??-=+?-=+-=-φ 4-11．肖脱基检波器具有10 pF 的电容，10Ω的串联电阻以及100Ω的二极管电阻，计算它的截止频率。
解： C=10 pF ,10=s r Ω ,d r =100Ω
)/(1016.3)100
10)1010(1()1(9212
22
12s rad r r C s d C ?=???==-ω )(5032Z C
c MH f ==π
ω
1)整流接触（q Φm > q Φs ）
E FM E FM E 0
E C
V FS -V E
FS
FS
V
E FM
E C
V FS -E V
CMOS 标签:CMOS互补金属氧化物半导体CMOS传感器编辑词条 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），互补金属氧化物半导体，电压控制的一种放大器件。是组成CMOS数字集成电路的基本单元。它的特点是低功耗。 简介 CMOS 指互补金属氧化物(PMOS管和NMOS管)共同构成的互补型MOS集成电路制造工艺，它的特点是低功耗。由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间看，要么PMOS导通，要么NMOS导通，要么都截至，比线性的三极管(BJT)效率要高得多，因此功耗很低。 应用领域 计算机领域 CMOS芯片CMOS常指保存计算机基本启动信息(如日期、时间、启动设置等)的芯片。有时人们会把CMOS和BIOS混称，其实CMOS是主板上的一块可读写的RAM芯片，是用来保存BIOS的硬件配置和用户对某些参数的设定。CMOS可由主板的电池供电，即使系统掉电，信息也不会丢失。CMOS RAM本身只是一块存储器，只有数据保存功能。而对BIOS中各项参数的设定要通过专门的程序。BIOS设置程序一般都被厂商整合在芯片中，在开机时通过特定的按键就可进入BIOS设置程序，方便地对系统进行设置。因此BIOS设置有时也被叫做CMOS设置。 早期的CMOS是一块单独的芯片MC146818A(DIP封装)，共有64个字节存放系统信息。386以后的微机一般将MC146818A芯片集成到其它的IC芯片中(如82C206，P
QFP封装)，586以后主板上更是将CMOS与系统实时时钟和后备电池集成到一块叫做D ALLDA DS1287的芯片中。随着微机的发展、可设置参数的增多，现在的CMOS RAM 一般都有128字节及至256字节的容量。为保持兼容性，各BIOS厂商都将自己的BIOS 中关于CMOS RAM的前64字节内容的设置统一与MC146818A的CMOS RAM格式一致，而在扩展出来的部分加入自己的特殊设置，所以不同厂家的BIOS芯片一般不能互换，即使是能互换的，互换后也要对CMOS信息重新设置以确保系统正常运行。 数码相机领域 CMOS制造工艺也被应用于制作数码影像器材的感光元件（常见的有TTL和CMOS），尤其是片幅规格较大的单反数码相机。虽然在用途上与过去CMOS电路主要作为固件或计算工具的用途非常不同，但基本上它仍然是采取CMOS的工艺，只是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电能，再透过芯片上的模-数转换器（ADC）将获得的影像讯号转变为数字信号输出。 CCD和CMOS的区别CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。 如图所示，CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。 造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个象素的数据。 由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括： 1. 灵敏度差异：由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。 2. 成本差异：由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中，
金属-半导体接触势垒的三种形式（比较） 2010-11-19 11:30:12| 分类：微电子器件| 标签：|字号大中小订阅 （在什么情况下的金属-半导体接触是Ohm接触？为什么Schottky势垒和Mott势垒具有单向导电性？Schottky二极管和Mott二极管在性能上有何异同？） Xie Meng-xian. (电子科大，成都市) 金属-半导体接触是一种基本的器件结构，它本身具有两种重要的功能，即二极管功能和Ohm接触功能；而在二极管功能中，又可区分出两种性能有所不同的器件——Schottky 二极管和Mott二极管。
不同功能的金属-半导体接触，其主要的差别就在于接触势垒的形式不同。见图1，（a）是Schottky势垒，（b）是Ohm接触势垒，（c）是Mott势垒。 一般的半导体与金属的接触就形成Schottky势垒，它的势垒高度为qfBn，并且在半导体表面附近处有一层空间电荷区——半导体表面势垒。当加有正向电压时（金属接电源正极），半导体表面势垒高度降低，则有较多半导体电子通过热发射而流到金属、形成很大的正向电流；当加有反向电压时（金属接电源负极），金属电子到半导体的势垒高度qfBn不变，阻挡着电子流到半导体去，则反向电流很小。因此Schottky势垒具有单向导电性。利用Schottky 势垒工作的两端器件就是Schottky二极管。 如果半导体的掺杂浓度很高，则与金属的接触就将形成Ohm接触。因为这时半导体表面势垒的厚度很薄，电子可以借助于量子隧道效应的方式而通过接触界面，所以正向电流和反向电流都将会很大，从而就不再具有单向导电性了，成为了Ohm性的导电。这是任何半导体元器件作为电极连接所必需的。 如果半导体表面层的掺杂浓度很低，则与金属的接触就将形成Mott接触。这时半导体表面势垒的厚度很大，电子只有借助于扩散的方式来通过接触界面。同样，Mott势垒也具有单向导电性。利用Mott势垒工作的两端器件就是Mott二极管。 Schottky二极管和Mott二极管都是多数载流子工作的器件，因此它们都是性能优良的高速开关二极管；而Mott二极管因为其Mott势垒厚度较大，则势垒电容很小、耐压较高，从而它又是很好的微波二极管以及高电压的功率二极管。
金属-半导体接触 1.金属与半导体接触概论 以集成电路（IC）技术为代表的半导体技术在近十几年来已经取得了迅速发展，带来的是一次又一次的信息科技进步，没有哪一种技术能像它一样，带来社会性的深刻变革。半导体技术的实现依赖于半导体的生产与应用，而在半导体的应用过程中，必然会涉及到半导体与金属电极的接触。 大规模集成电路中的铝-硅接触就是典型的实例。 金属与半导体接触大致可以分为两类[1]：一种是具有整流特性的肖特基接触（也叫整流接触）， 导体中的电子将向金属转移，使金属带负电，但是金属作为电子的的“海洋”，其电势变化非常小；而在半导体内部靠近半导体表面的区域则形成了由电离施主构成的正电荷空间层，这样便产生由半导体指向金属的内建电场，该内建电场具有阻止电子进一步从半导体流向金属的作用。因此，金属与半导体接触的内建电场所引起的电势变化主要发生在半导体的空间电荷区[2]，使半导体中近表面处的能带向上弯曲形成电子势垒；而空间电荷区外的能带则随同E FS一起下降，直到与E FM处在同一水平是达到平衡状态，不再有电子的流动，如图1.1.3。 图1.1.3：W M>W S的金属与N型半导体接触前后的能带变化，（a）接触前（b）接触后 相对于E FM而言，平衡时E FS下降的幅度为W M-W S。若以V D表示这一接触引起的半导体表面 与体内的电势差，显然有 qV D=W M-W S（1.1）
式中，q是电量，V D为接触电势差或半导体的表面势；qV D也就是半导体中的电子进入金属所必须越过的势垒高度；同样的，金属中的电子若要进入半导体，也要越过一个势垒。高度为式1.2， 式中，qφM极为肖特基势垒的高度。 qφM=W M-χ=qV D+En（1.2）当金属与N型半导体接触时，若W M>W S，则在半导体表面形成一个由电离施主构成的空间电荷区，其中电子浓度极低，对电子的传导性极低，是一个高阻区域，常被称为电子阻挡层。 （2）金属与N型半导体接触，W M
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