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肖特基二极管工艺和原理

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Rectifying 结也可以在半导体和金属之间形成。这样的结称作Schottky barriers. Schottky barrier 有点类似于PN结。比如,Schottky barriers能用来作肖特基二极管,它很像PN二极管。Schottky barriers 也可以在集成电路互连系统中的接触区域形成。

某种物质的work function相当于从它之中去掉一个电子所需的能量。每种物质特有的work function取决于它的晶体结构和它的成分。当两种不同work function 的物质相互接触时,每种物质中的电子有不同初始能量。因此在这两种物质之间存在着电压差,称为接触电压。考虑一下PN结的情况。结两边的半导体有相同的晶体结构。PN结的接触电压,或它的内电场,只取决于掺杂情况。在Schottky barrier中,金属和半导体的不同的晶体结构对接触电压也有影响。

当铝碰到轻掺杂的N型硅时一个典型的rectifying Schottky barrier就形成了(图1.14B)。为了平衡接触电压,载流子必须重新分布。电子从半导体扩散到金属,在那里他们堆积起来形成带负电的一个薄膜。硅中的电子的大量离开造成了一个由离子化的杂质原子形成区域-耗尽区(图1.14A)。耗尽区的电场又把电子从金属拉回到半导体。只有当扩散电流和漂移电流相等时才建立平衡。现在沿着Schottky barrier的电压差就等于接触电压了。在Schottky barrier的半导体一边只有很少的少数载流子,所以肖特基二极管又称为多数载流子器件。

图1.14 在Schottky barrier两边的过剩载流子浓度图(A)和相应的肖特基结构的截面图(B)。

偏置情况下的肖特基二极管的表现可以用相似的分析方法。N型硅是二极管的阴极,而金属区是阳极。零偏置的肖特基二极管和前面分析的平衡状态下的Schottky barrier是一样的。反向偏置的肖特基二极管半导体端接正极,金属端接负极。最终外加的电压差加强了接触电压。为了平衡增加的电压差耗尽区也变宽了,最后平衡建立,二极管中只有很小的电流。

正向偏置的肖特基二极管半导体端接负极,金属端接正极。沿着结的外加的电压差削弱了接触电压,耗尽区的宽度也变窄了。最终接触电压被完全抵消,在结的金属端试图建立了一个耗尽区。但金属区是导体,它不能支持一个电场,所以为了抵消外加电压的耗尽区也建立不起来。这个电压开始把电子沿着结从半导体推回到金属,二极管里就有了电流。

肖特基二极管的电流-电压特性和PN二极管的相似(图1.13)。肖特基二极管也有从金属注入半导体的少数载流子引起的漏电流。高温会加剧这种导通机制,它和PN二极管一样都有一个温度属性。

尽管有许多相同,肖特基二极管和PN结二极管还是有一些本质区别的。由于肖特基二极管主要靠多数载流子来导通所以它是多数载流子器件。在大电流密度时,确实有一些空穴从金属流到半导体,但是这些只占总电流的一小部分。肖特基二极管不支持大量过剩的少数载流子。由于二极管的开关速度是过剩少数载流子复合所需时间的函数,所以肖特基二极管能快速开关。有些肖特基二极管的正向偏置电压比PN二极管的更低。更低的正向偏置电压和高效的开关使肖特基二极管非常有用。

肖特基二极管也能用P型硅来做,但正向偏置电压通常非常低。这使得P型肖特基二极管漏电流相当厉害,所以很少使用。(7 举例来说,比较一下N型硅铂(0.85V)和P型硅铂(0.25V)在work function的差:R. S. Muller 和T. I. Kamins, Device Electronics for Integrated Circuits, 2nd ed. (New York: John Wiley 和Sons,1986),p.157.)大多数实用的肖特基二极管是用轻掺杂的N型硅和一种称作silicides的物质合成的。这些物质是由硅和某种金属比如铂和钯化合而成的。Silicides有很稳定的work functions 因此形成的肖特基二极管有稳定和可重复的特性。

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