第七章金屬和半導體的接觸

1、第七章 金屬和半導體的接觸,1,7.1 金屬半導體接觸及其能級圖,2,7.1.1 金屬和半導體的功函數(shù),金屬功函數(shù)金屬功函數(shù)隨原子序數(shù)的遞增呈現(xiàn)周期性變化。,,3,半導體功函數(shù)電子親和能故其中,,,,,,4,7.1.2 接觸電勢差,金屬與n型半導體接觸為例金屬和半導體間距離D遠大于原子間距隨著D的減小，,,,5,若D小到可以與原子間距相比較若Wm>Ws，半導體表面形成正的空間電荷區(qū)，電場由體內(nèi)指向

2、表面，Vs0。形成高電導區(qū)（反阻擋層）。,,6,7.1.3表面態(tài)對接觸電勢的影響,實驗表明：不同金屬的功函數(shù)雖然相差很大，但與半導體接觸時形成的勢壘高度卻相差很小。原因：半導體表面存在表面態(tài)。,7,表面態(tài)分為施主型和受主型。表面態(tài)在半導體表面禁帶中呈現(xiàn)一定分布，表面處存在一個距離價帶頂為qФ0的能級。電子正好填滿qФ0以下所有的表面態(tài)時，表面呈電中性。若qФ0以下表面態(tài)為空，表面帶正電，呈現(xiàn)施主型；qФ0以上表面態(tài)被電子填充，表面帶負

3、電，呈現(xiàn)受主型。對于大多數(shù)半導體，qФ0越為禁帶寬度的三分之一。,8,若n型半導體存在表面態(tài)，費米能級高于qФ0，表面態(tài)為受主型，表面處出現(xiàn)正的空間電荷區(qū)，形成電子勢壘。勢壘高度qVD恰好使表面態(tài)上的負電荷與勢壘區(qū)的正電荷相等。,9,高表面態(tài)密度釘扎（pinned）存在表面態(tài)即使不與金屬接觸，表面也形成勢壘。當半導體的表面態(tài)密度很高時，可以屏蔽金屬接觸的影響，使半導體內(nèi)的勢壘高度和金屬的功函數(shù)幾乎無關(guān)，有半導體表面性質(zhì)決定。,,

4、10,7.2金屬半導體接觸整流理論,11,7.2.1擴散理論,當勢壘寬度大于電子的平均自由程，電子通過勢壘要經(jīng)過多次碰撞，這樣的阻擋層稱為厚阻擋層。（耗盡層近似）泊松方程,,12,邊界條件可得,,13,外加電壓于金屬，則可得勢壘寬度,,,14,電流密度方程代入愛因斯坦關(guān)系，并整理得,,,15,在x=0到x=xd對上式積分，求解可得 當V>0時，若qV>>k0T，則,,,16,當V>k0T

5、，則該理論是用于遷移率較小，平均自由程較短的半導體，如氧化亞銅。,,17,7.2.2熱電子發(fā)射理論,當n型阻擋層很薄，電子平均自由程遠大于勢壘寬度。起作用的是勢壘高度而不是勢壘寬度。電流的計算歸結(jié)為超越勢壘的載流子數(shù)目。假定，由于越過勢壘的電子數(shù)只占半導體總電子數(shù)很少一部分，故半導體內(nèi)的電子濃度可以視為常數(shù)。討論非簡并半導體的情況。,18,半導體單位體積能量在E~E+dE范圍內(nèi)的電子數(shù),,19,若v為電子運動的速率，則

6、帶入上式，并利用,,,20,可得單位體積內(nèi)，速率vx~vx+dvx，vy~vy+dvy，vz~vz+dvz范圍內(nèi)的電子數(shù),,,21,顯然單位面積而言，大小為vx的體積內(nèi)，上述速度范圍的電子都可以達到金屬和半導體界面。達到界面的電子要越過勢壘，必須滿足,,22,所需要的x方向的最小速度若規(guī)定電流的正方向是從金屬到半導體，則從半導體到金屬的電子流所形成的電流密度為,,,23,其中理查遜常數(shù) 電子從金屬到半導體所面臨的勢壘

7、高度不隨外加電壓而變化，所以為常量，與熱平衡條件下，即V=0時的Js-m大小相等，方向相反。,,24,總電流密度,,,25,Ge、Si、GaAs有較高的載流子遷移率，有較大的平均自由程，因此在室溫下主要是多數(shù)載流子的熱電子發(fā)射。,26,7.2.4肖特基勢壘二極管,與pn結(jié)的相同點： 單向?qū)щ娦?。與pn結(jié)的不同點：pn結(jié)正向電流為非平衡少子擴散形成的電流,有顯著的電荷存儲效應；肖特基勢壘二極管的正向電流主要是半導體多數(shù)載流子進入金

8、屬形成的，是多子器件，無積累，因此高頻特性更好；,27,肖特基二極管JsD和JsT比pn結(jié)反向飽和電流Js大得多。因此肖特基二極管由較低的正向?qū)妷?。用途：鉗位二極管(提高電路速度)等。,28,7.3少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸,29,7.3.1少數(shù)載流子的注入,n型阻擋層，體內(nèi)電子濃度為n0，接觸面處的電子濃度是電子的阻擋層就是空穴積累層。在勢壘區(qū)，空穴的濃度在表面處最大。體內(nèi)空穴濃度為p0，則表面濃度為,,30,加正壓時，勢

9、壘降低，形成自外向內(nèi)的空穴流，形成的電流與電子電流方向一致?？昭娏鞔笮。Q于阻擋層的空穴濃度。,,31,平衡時，如果接觸面處有此時若有外加電壓，p(0)將超過n0，則空穴電流的貢獻就很重要了。加正向電壓時，少數(shù)載流子電流與總電流值比稱為少數(shù)載流子的注入比，用γ表示。,,32,加正電壓時，勢壘兩邊界處的電子濃度將保持平衡值，而空穴在阻擋層內(nèi)界形成積累，然后再依靠擴散運動繼續(xù)進入半導體內(nèi)部。因為平衡值p0很小，所以相對的增加就

10、很顯著。,33,對n型阻擋層而言,,34,7.3.2歐姆接觸,定義不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，而且不會使半導體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著的變化。實現(xiàn) 反阻擋層沒有整流作用，但由于常見半導體材料一般都有很高的表面態(tài)密度，因此很難用選擇金屬材料的辦法來獲得歐姆接觸。,35,隧道效應：重摻雜的半導體與金屬接觸時，則勢壘寬度變得很薄，電子通過隧道效應貫穿勢壘產(chǎn)生大隧道電流，甚至超過熱電子發(fā)射電流而成為電流的主要成分，即可形成接近理想的歐姆接觸