半導(dǎo)體物理2013(第七章)

1、第第7 7章章 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸 本章重點闡述金屬和半導(dǎo)體接觸時在接觸面本章重點闡述金屬和半導(dǎo)體接觸時在接觸面附近產(chǎn)生的附近產(chǎn)生的新的結(jié)構(gòu)新的結(jié)構(gòu)，這種，這種新的結(jié)構(gòu)具有整流效新的結(jié)構(gòu)具有整流效應(yīng)應(yīng)，并介紹了，并介紹了少數(shù)載流子注入、歐姆接觸等相關(guān)少數(shù)載流子注入、歐姆接觸等相關(guān)概念概念。7.1 金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖7.1.1 金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)l金屬功函數(shù)金屬功函數(shù)l金屬功函數(shù)隨原子序數(shù)的遞增呈現(xiàn)金屬功函數(shù)隨原子序數(shù)的遞增呈現(xiàn)周期性變化，功函數(shù)的大小顯示出周期性變化，功函數(shù)的大小顯示出金屬中電子離開金屬表面成為自由金屬中電子離開金屬表面成為自由電子的難以程度，功函數(shù)大

2、的金屬電子的難以程度，功函數(shù)大的金屬穩(wěn)定性也較強。穩(wěn)定性也較強。mFmEEW)(0l半導(dǎo)體功函數(shù)半導(dǎo)體功函數(shù)l電子親和能電子親和能 故故 其中其中0sFsWEEcEE 0nsFcsEEEW)()ncFsEEE7.1 金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖7.1.1 金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)7.1 金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖7.1.2 接觸電勢差金屬與金屬與n n型半導(dǎo)體接觸為例（型半導(dǎo)體接觸為例（WmWsWmWs）l接觸前接觸前7.1 金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖7.1.2 接觸電勢差l金屬和半導(dǎo)體間距離金屬和半導(dǎo)體間距離D D遠大于原子間距，電遠大于原子間距，電勢差主要落在界面間隙中。勢差主要落在界面間隙中。l V

3、ms Vms是由于接觸而產(chǎn)生的是由于接觸而產(chǎn)生的電電 勢差，稱為勢差，稱為接觸電勢差接觸電勢差。 qWWVVVmssmms+- - - - - =WM-WS半導(dǎo)體表半導(dǎo)體表面出現(xiàn)空面出現(xiàn)空間電荷區(qū)間電荷區(qū)7.1 金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖7.1.2 接觸電勢差l隨著隨著D D的減小，電勢差同時落在兩界面間及半的減小，電勢差同時落在兩界面間及半導(dǎo)體表面的空間電荷區(qū)內(nèi)。導(dǎo)體表面的空間電荷區(qū)內(nèi)。smsmsVVqWWV VS S是半導(dǎo)體表面與內(nèi)部之間是半導(dǎo)體表面與內(nèi)部之間存在的電勢差，即為存在的電勢差，即為表面勢表面勢。半導(dǎo)體表半導(dǎo)體表面出現(xiàn)空面出現(xiàn)空間電荷區(qū)間電荷區(qū)電場電場7.1 金屬半導(dǎo)體接觸及其能

4、級圖7.1.2 接觸電勢差l若若D D小到可以與原子間距相比較，電勢差全部落小到可以與原子間距相比較，電勢差全部落在半導(dǎo)體表面的空間電荷區(qū)內(nèi)。在半導(dǎo)體表面的空間電荷區(qū)內(nèi)。DsmsVVqWW電場電場=-qV=-qVS SV VS0SWsn型阻擋層）7.1 金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖7.1.2 接觸電勢差E空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)電場及表面勢電場及表面勢能帶情況能帶情況接觸類型接觸類型電場電場V VS0S07.1 金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖7.1.2 接觸電勢差l金屬和n型半導(dǎo)體接觸（Wm0S07.1 金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖7.1.2 接觸電勢差l金屬和p型半導(dǎo)體接觸（WsWmp型阻擋層）電場電場V V

5、S0S07.1 金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖7.1.2 接觸電勢差l金屬和p型半導(dǎo)體接觸（WmWsp型反阻擋層）電場電場V VS0S0V0 若金屬接電源正極，若金屬接電源正極，n n型半導(dǎo)體接電源負極，則外型半導(dǎo)體接電源負極，則外加電壓主要降落在阻擋層上，外電壓方向由金屬指向半加電壓主要降落在阻擋層上，外電壓方向由金屬指向半導(dǎo)體，外加電壓方向和接觸表面勢方向?qū)w，外加電壓方向和接觸表面勢方向( (半導(dǎo)體表面空半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)內(nèi)電場間電荷區(qū)內(nèi)電場) )相反，使勢壘高度下降，電子順利的相反，使勢壘高度下降，電子順利的流過降低了的勢壘。流過降低了的勢壘。從半導(dǎo)體流向金屬的電子數(shù)超過從從半導(dǎo)體流向金屬

6、的電子數(shù)超過從金屬流向半導(dǎo)體的電子數(shù)，形成從金屬流向半導(dǎo)體的正金屬流向半導(dǎo)體的電子數(shù)，形成從金屬流向半導(dǎo)體的正向電流。向電流。7.2 金屬半導(dǎo)體接觸整流理論7.2.1 金屬半導(dǎo)體接觸整流特性內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向外電場方向外電場方向7.2 金屬半導(dǎo)體接觸整流理論7.2.1 金屬半導(dǎo)體接觸整流特性l（3 3）V0V0V0時，若時，若qVkqVk0 0T T，則，則l當(dāng)當(dāng)V0Vk|qV|k0 0T T，則，則l該理論是用于遷移率較小，平均自由程較短的半導(dǎo)該理論是用于遷移率較小，平均自由程較短的半導(dǎo)體，如氧化亞銅。體，如氧化亞銅。)exp(0TkqVJJsDsDJJ7.2 金屬半導(dǎo)體接觸整流理論7.2

7、.2 金屬半導(dǎo)體整流接觸電流電壓方程l熱電子發(fā)射理論熱電子發(fā)射理論l當(dāng)當(dāng)n n型阻擋層很薄，電子平均自由程遠大于勢壘寬度。起型阻擋層很薄，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。超越勢壘的載流子數(shù)目。l假定，由于越過勢壘的電子數(shù)只占半導(dǎo)體總電子數(shù)很少假定，由于越過勢壘的電子數(shù)只占半導(dǎo)體總電子數(shù)很少一部分，故半導(dǎo)體內(nèi)的電子濃度可以視為常數(shù)。一部分，故半導(dǎo)體內(nèi)的電子濃度可以視為常數(shù)。l討論非簡并半導(dǎo)體的情況。討論非簡并半導(dǎo)體的情況。 7.2 金屬半導(dǎo)體接觸整流理論7.2.2 金屬半導(dǎo)體整流

8、接觸電流電壓方程l針對針對n n型半導(dǎo)體，電流密度型半導(dǎo)體，電流密度*20exp()nssTqJA Tk T0exp() 1sTqVJJk T其中理查遜常數(shù)其中理查遜常數(shù)320*4hkqmAnGeGe、SiSi、GaAsGaAs有較高的載流子遷移率，有較大的平均自由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。程，因此在室溫下主要是多數(shù)載流子的熱電子發(fā)射。l兩種理論結(jié)果表示的阻擋層電流與外加電壓變化關(guān)系兩種理論結(jié)果表示的阻擋層電流與外加電壓變化關(guān)系基本一致，體現(xiàn)了電導(dǎo)非對稱性基本一致，體現(xiàn)了電導(dǎo)非對稱性正向電壓，電流正向電壓，電流隨電壓指數(shù)增加；反向電壓，

9、電流基本不隨外加電壓隨電壓指數(shù)增加；反向電壓，電流基本不隨外加電壓而變化而變化lJ JSDSD與外加電壓有關(guān)；與外加電壓有關(guān)；J JSTST與外加電壓無關(guān)，強烈依賴溫與外加電壓無關(guān)，強烈依賴溫度度T T。當(dāng)溫度一定，。當(dāng)溫度一定，J JSTST隨反向電壓增加處于飽和狀態(tài)，隨反向電壓增加處于飽和狀態(tài)，稱之為反向飽和電流。稱之為反向飽和電流。7.2 金屬半導(dǎo)體接觸整流理論7.2.2 金屬半導(dǎo)體整流接觸電流電壓方程7.2 金屬半導(dǎo)體接觸整流理論7.2.3 肖特基勢壘二極管 肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管利用金屬利用金屬- -半導(dǎo)體整流接觸特性制成半導(dǎo)體整流接觸特性制成的二極管。的二極管。l與與pn

10、pn結(jié)的相同點結(jié)的相同點： l單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦?。l與與pnpn結(jié)的不同點結(jié)的不同點：lpnpn結(jié)正向電流為非平衡少子擴散形成的電流結(jié)正向電流為非平衡少子擴散形成的電流, ,有顯著的有顯著的電荷存儲效應(yīng)；肖特基勢壘二極管的正向電流主要是半電荷存儲效應(yīng)；肖特基勢壘二極管的正向電流主要是半導(dǎo)體多數(shù)載流子進入金屬形成的，是多子器件，無積累，導(dǎo)體多數(shù)載流子進入金屬形成的，是多子器件，無積累，因此高頻特性更好；因此高頻特性更好；l肖特基二極管肖特基二極管JsDJsD和和JsTJsT比比pnpn結(jié)反向飽和電流結(jié)反向飽和電流JsJs大得多，大得多，因此對于同樣的使用電流，肖特基二極管有較低的正向因此對于

11、同樣的使用電流，肖特基二極管有較低的正向?qū)妷?。?dǎo)通電壓。7.3 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸7.3.1 少數(shù)載流子的注入ln n型阻擋層，體內(nèi)電子濃度為型阻擋層，體內(nèi)電子濃度為n n0 0，接，接觸面處的電子濃度是觸面處的電子濃度是l電子的阻擋層就是空穴積累層。在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。勢壘區(qū)，空穴的濃度在表面處最大。體內(nèi)空穴濃度為體內(nèi)空穴濃度為p p0 0，則表面濃度為，則表面濃度為)exp()0(00TkqVnnD)exp()0(00TkqVppDl平衡時，空穴的擴散運動和由于內(nèi)電場產(chǎn)生的漂移運動相平衡時，空穴的擴散運動和由于內(nèi)電場產(chǎn)生的漂移運動相等

12、，凈電流為零。等，凈電流為零。l加正壓時，勢壘降低，除了前面所提到的電子形成的電子加正壓時，勢壘降低，除了前面所提到的電子形成的電子流以外，空穴的擴散運動占優(yōu)，形成自金屬向半導(dǎo)體內(nèi)部流以外，空穴的擴散運動占優(yōu)，形成自金屬向半導(dǎo)體內(nèi)部的空穴流，形成的電流與電子電流方向一致，因此總的正的空穴流，形成的電流與電子電流方向一致，因此總的正向電流包含電子流和少數(shù)載流子空穴流。向電流包含電子流和少數(shù)載流子空穴流。l空穴電流大小，取決于阻擋層的空穴電流大小，取決于阻擋層的空穴濃度空穴濃度和和空穴進入半導(dǎo)空穴進入半導(dǎo)體內(nèi)擴散的效率體內(nèi)擴散的效率。7.3 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸7.3.1 少數(shù)載流子的注入l

13、平衡時，如果接觸面處有平衡時，如果接觸面處有l(wèi)此時若有外加電壓，空穴電流此時若有外加電壓，空穴電流的貢獻就很重要了。的貢獻就很重要了。)()0(FcvFEEEE7.3 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸7.3.1 少數(shù)載流子的注入l加正電壓時，勢壘兩邊加正電壓時，勢壘兩邊界處的電子濃度將保持界處的電子濃度將保持平衡值，而空穴先在阻平衡值，而空穴先在阻擋層內(nèi)界形成積累，然擋層內(nèi)界形成積累，然后再依靠擴散運動繼續(xù)后再依靠擴散運動繼續(xù)進入半導(dǎo)體內(nèi)部。進入半導(dǎo)體內(nèi)部。7.3 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸7.3.1 少數(shù)載流子的注入7.3 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸7.3.1 少數(shù)載流子的注入l綜上，綜上，在金屬

14、和在金屬和n n型半導(dǎo)體的整流接觸上加正向電壓時，型半導(dǎo)體的整流接觸上加正向電壓時，就有空穴從金屬流向半導(dǎo)體，這種現(xiàn)象稱為就有空穴從金屬流向半導(dǎo)體，這種現(xiàn)象稱為少數(shù)載流子少數(shù)載流子的注入的注入。l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)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，用載流子的注入比，用表示。對表示。對n n型阻擋層而言型阻擋層而言2*20/()expiPPpPPnnPnSDqnJDJJJJJJLqN A Tk T7.3 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸7.3.2 歐姆接觸l歐姆接觸歐姆接觸l金屬與半導(dǎo)體形成的非整流接觸，這種接觸不產(chǎn)生金屬與半導(dǎo)體形成的非整流

15、接觸，這種接觸不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，而且不會使半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載明顯的附加阻抗，而且不會使半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著的變化。流子濃度發(fā)生顯著的變化。l實現(xiàn)實現(xiàn) l反阻擋層沒有整流作用，但由于常見半導(dǎo)體材料一反阻擋層沒有整流作用，但由于常見半導(dǎo)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。料的辦法來獲得歐姆接觸。 l重摻雜的半導(dǎo)體與金屬接觸時，則勢壘寬度變得很薄，重摻雜的半導(dǎo)體與金屬接觸時，則勢壘寬度變得很薄，電子通過隧道效應(yīng)貫穿勢壘產(chǎn)生大隧道電流，甚至超過電子通過隧道效應(yīng)貫穿勢壘產(chǎn)生大隧道電流，甚至超過熱電子發(fā)射

16、電流而成為電流的主要成分，即可形成接近熱電子發(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。理想的歐姆接觸。 常常是在常常是在n型或型或p型半導(dǎo)體上制作一層重摻雜區(qū)域后再與型半導(dǎo)體上制作一層重摻雜區(qū)域后再與金屬接觸，形成金屬金屬接觸，形成金屬-n n或金屬或金屬-p p型結(jié)構(gòu)。型結(jié)構(gòu)。7.3 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸7.3.2 歐姆接觸+l接觸電阻：零偏壓下的微分電阻接觸電阻：零偏壓下的微分電阻l把導(dǎo)帶底把導(dǎo)帶底E Ec c選作電勢能的零點，可得選作電勢能的零點，可得l電子勢壘電子勢壘l令令y=dy=d0 0-x-x，則，則10)(VcVIR200)(2)(dxqNxVrD7.3

17、少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸7.3.2 歐姆接觸2002)(2)(dxNqxqVrD220( )2Drq NqV yy l根據(jù)量子力學(xué)中的結(jié)論，根據(jù)量子力學(xué)中的結(jié)論，x=dx=d0 0處導(dǎo)帶底電子通過隧道效處導(dǎo)帶底電子通過隧道效應(yīng)貫穿勢壘的隧道概率為應(yīng)貫穿勢壘的隧道概率為l有外加電壓時，勢壘寬度為有外加電壓時，勢壘寬度為d d，表面勢為，表面勢為(V(Vs s) )0 0+V+V，則，則隧道概率隧道概率)()(4exp)()2(4exp02120*210212*0sDRndnVNhmdyyqVhmP)()(4exp)()(4exp21220*02120*VVqNhqmVVNhmPDDRnsDRn7.3 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸7.3.2 歐姆接觸l隧道電流與隧道概率成正比隧道電流與隧道概率成正比l進而可得到進而可得到)()(4exp2