半導(dǎo)體物理3(第七章)

1、第7章 金屬(jnsh)和半導(dǎo)體的接觸 本章重點(diǎn)闡述金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)在接觸面附近(fjn)產(chǎn)生的新的結(jié)構(gòu)，這種新的結(jié)構(gòu)具有整流效應(yīng)，并介紹了少數(shù)載流子注入、歐姆接觸等相關(guān)概念。共三十九頁(yè)7.1 金屬(jnsh)半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖7.1.1 金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)金屬(jnsh)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，功函數(shù)的大小顯示出金屬中電子離開(kāi)金屬表面成為自由電子的難以程度，功函數(shù)大的金屬穩(wěn)定性也較強(qiáng)。共三十九頁(yè)半導(dǎo)體功函數(shù)(hnsh)電子親和能 故 其中7.1 金屬半導(dǎo)體接觸(jich)及其能級(jí)圖7.1.1 金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)共三十九頁(yè)7.1 金屬(jnsh)半導(dǎo)體接觸及其能

2、級(jí)圖7.1.2 接觸電勢(shì)差金屬(jnsh)與n型半導(dǎo)體接觸為例（WmWs）接觸前共三十九頁(yè)7.1 金屬(jnsh)半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖7.1.2 接觸電勢(shì)差金屬和半導(dǎo)體間距離D遠(yuǎn)大于原子間距，電勢(shì)差主要落在界面間隙中。 Vms是由于接觸而產(chǎn)生(chnshng)的電 勢(shì)差，稱為接觸電勢(shì)差。 +- - - - - =WM-WS半導(dǎo)體表面出現(xiàn)空間電荷區(qū)共三十九頁(yè)7.1 金屬(jnsh)半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖7.1.2 接觸電勢(shì)差隨著(su zhe)D的減小，電勢(shì)差同時(shí)落在兩界面間及半導(dǎo)體表面的空間電荷區(qū)內(nèi)。VS是半導(dǎo)體表面與內(nèi)部之間存在的電勢(shì)差，即為表面勢(shì)。半導(dǎo)體表面出現(xiàn)空間電荷區(qū)電場(chǎng)共三十九頁(yè)7.1

3、 金屬半導(dǎo)體接觸(jich)及其能級(jí)圖7.1.2 接觸電勢(shì)差若D小到可以與原子間距(jin j)相比較，電勢(shì)差全部落在半導(dǎo)體表面的空間電荷區(qū)內(nèi)。電場(chǎng)=-qVSVSWsn型阻擋層）7.1 金屬半導(dǎo)體接觸(jich)及其能級(jí)圖7.1.2 接觸電勢(shì)差E空間電荷區(qū)電場(chǎng)及表面勢(shì)能帶情況接觸類型電場(chǎng)VS0共三十九頁(yè)7.1 金屬半導(dǎo)體接觸(jich)及其能級(jí)圖7.1.2 接觸電勢(shì)差金屬(jnsh)和n型半導(dǎo)體接觸（Wm0共三十九頁(yè)7.1 金屬(jnsh)半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖7.1.2 接觸電勢(shì)差金屬(jnsh)和p型半導(dǎo)體接觸（WsWmp型阻擋層）電場(chǎng)VS0共三十九頁(yè)7.1 金屬半導(dǎo)體接觸(jich)及其能

4、級(jí)圖7.1.2 接觸電勢(shì)差金屬(jnsh)和p型半導(dǎo)體接觸（WmWsp型反阻擋層）電場(chǎng)VS0 若金屬接電源正極，n型半導(dǎo)體接電源負(fù)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導(dǎo)體，外加電壓方向和接觸表面勢(shì)方向(半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng))相反，使勢(shì)壘高度下降，電子順利的流過(guò)降低了的勢(shì)壘。從半導(dǎo)體流向金屬的電子數(shù)超過(guò)從金屬流向半導(dǎo)體的電子數(shù)，形成從金屬流向半導(dǎo)體的正向(zhn xin)電流。共三十九頁(yè)7.2 金屬(jnsh)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(chǎng)(din chng)方向外電場(chǎng)方向共三十九頁(yè)7.2 金屬(jnsh)半導(dǎo)體接觸整流理論7.2.1 金屬半

5、導(dǎo)體接觸整流特性（3）V0時(shí)，若qVk0T，則當(dāng)Vk0T，則該理論(lln)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。共三十九頁(yè)7.2 金屬半導(dǎo)體接觸整流(zhngli)理論7.2.2 金屬半導(dǎo)體整流接觸電流電壓方程熱電子發(fā)射理論當(dāng)n型阻擋層很薄，電子平均自由(zyu)程遠(yuǎn)大于勢(shì)壘寬度。起作用的是勢(shì)壘高度而不是勢(shì)壘寬度，電流的計(jì)算歸結(jié)為超越勢(shì)壘的載流子數(shù)目。假定，由于越過(guò)勢(shì)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)。討論非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的情況。 共三十九頁(yè)7.2 金屬半導(dǎo)體接觸整流理論(lln)7.2.2 金屬半導(dǎo)體整流接觸電流電壓方程針對(duì)(zhndu)n

6、型半導(dǎo)體，電流密度其中理查遜常數(shù)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。共三十九頁(yè)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(gun x)基本一致，體現(xiàn)了電導(dǎo)非對(duì)稱性正向電壓，電流隨電壓指數(shù)增加；反向電壓，電流基本不隨外加電壓而變化JSD與外加電壓有關(guān)；JST與外加電壓無(wú)關(guān)，強(qiáng)烈依賴溫度T。當(dāng)溫度一定，JST隨反向電壓增加處于飽和狀態(tài)，稱之為反向飽和電流。7.2 金屬半導(dǎo)體接觸(jich)整流理論7.2.2 金屬半導(dǎo)體整流接觸電流電壓方程共三十九頁(yè)7.2 金屬半導(dǎo)體接觸整流(zhngli)理論7.2.3 肖特基勢(shì)壘二極管 肖特

7、基勢(shì)壘二極管利用金屬-半導(dǎo)體整流接觸特性制成的二極管。與pn結(jié)的相同點(diǎn)： 單向?qū)щ娦?。與pn結(jié)的不同點(diǎn)：pn結(jié)正向電流為非平衡少子擴(kuò)散形成的電流,有顯著的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)；肖特基勢(shì)壘二極管的正向電流主要是半導(dǎo)體多數(shù)載流子進(jìn)入金屬形成的，是多子器件，無(wú)積累，因此高頻特性更好；肖特基二極管JsD和JsT比pn結(jié)反向(fn xin)飽和電流Js大得多，因此對(duì)于同樣的使用電流，肖特基二極管有較低的正向?qū)妷?。共三十九?yè)7.3 少數(shù)載流子的注入和歐姆(u m)接觸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(kn xu)積累層。在勢(shì)壘區(qū)，空穴(kn

8、 xu)的濃度在表面處最大。體內(nèi)空穴(kn xu)濃度為p0，則表面濃度為共三十九頁(yè)平衡時(shí)，空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)(yndng)和由于內(nèi)電場(chǎng)產(chǎn)生的漂移運(yùn)動(dòng)(yndng)相等，凈電流為零。加正壓時(shí)，勢(shì)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)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，因此總的正向電流包含電子流和少數(shù)載流子空穴流。空穴電流大小，取決于阻擋層的空穴濃度和空穴進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)擴(kuò)散的效率。7.3 少數(shù)載流子的注入和歐姆(u m)接觸7.3.1 少數(shù)載流子的注入共三十九頁(yè)平衡時(shí)，如果接觸面處有此時(shí)(c sh)若有外加電壓，空穴電流的貢獻(xiàn)就很重要了。7.3 少

9、數(shù)載流子的注入和歐姆(u m)接觸7.3.1 少數(shù)載流子的注入共三十九頁(yè)加正電壓時(shí)，勢(shì)壘兩邊界處的電子濃度將保持平衡值，而空穴先在阻擋層內(nèi)界形成積累，然后再依靠(yko)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)部。7.3 少數(shù)載流子的注入和歐姆(u m)接觸7.3.1 少數(shù)載流子的注入共三十九頁(yè)7.3 少數(shù)載流子的注入和歐姆(u m)接觸7.3.1 少數(shù)載流子的注入綜上，在金屬(jnsh)和n型半導(dǎo)體的整流接觸上加正向電壓時(shí)，就有空穴從金屬流向半導(dǎo)體，這種現(xiàn)象稱為少數(shù)載流子的注入。加正向電壓時(shí)，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，用表示。對(duì)n型阻擋層而言共三十九頁(yè)7.3 少數(shù)載流子的注入和歐姆(

10、u m)接觸7.3.2 歐姆接觸歐姆接觸金屬與半導(dǎo)體形成的非整流(zhngli)接觸，這種接觸不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，而且不會(huì)使半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著的變化。實(shí)現(xiàn) 反阻擋層沒(méi)有整流作用，但由于常見(jiàn)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料的辦法來(lái)獲得歐姆接觸。 共三十九頁(yè)重?fù)诫s的半導(dǎo)體與金屬接觸時(shí)，則勢(shì)壘寬度變得很薄，電子通過(guò)隧道效應(yīng)貫穿勢(shì)壘產(chǎn)生大隧道電流，甚至超過(guò)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(u m)接觸。 常常是在n型或p型半導(dǎo)體上制作一層重?fù)诫s區(qū)域后再與金屬接觸，形成金屬-n n或金屬-p p型結(jié)構(gòu)。7.3 少數(shù)(shosh)載流子

11、的注入和歐姆接觸7.3.2 歐姆接觸+共三十九頁(yè)接觸電阻：零偏壓下的微分電阻把導(dǎo)帶底Ec選作電勢(shì)(dinsh)能的零點(diǎn)，可得電子勢(shì)壘令y=d0-x，則7.3 少數(shù)載流子的注入(zh r)和歐姆接觸7.3.2 歐姆接觸共三十九頁(yè)根據(jù)量子力學(xué)中的結(jié)論，x=d0處導(dǎo)帶底電子通過(guò)隧道(sudo)效應(yīng)貫穿勢(shì)壘的隧道(sudo)概率為有外加電壓時(shí)，勢(shì)壘寬度為d，表面勢(shì)為(Vs)0+V，則隧道概率7.3 少數(shù)載流子的注入(zh r)和歐姆接觸7.3.2 歐姆接觸共三十九頁(yè)隧道電流與隧道概率(gil)成正比進(jìn)而可得到7.3 少數(shù)載流子的注入和歐姆(u m)接觸7.3.2 歐姆接觸共三十九頁(yè)一、金屬-半導(dǎo)體接觸形成的四種接觸類型（4個(gè)方面、能帶圖）；二、金屬-半導(dǎo)體的整流接觸的理論分析；兩種電流-電壓方程；肖特基二極管與pn結(jié)二極管的差異；三、少數(shù)(shosh)載流子注入和歐姆接觸的概念；本章主要(zhyo)內(nèi)容回顧：共三十九頁(yè)內(nèi)容摘要第7章 金屬和半導(dǎo)體的接觸。隨著D的減小，電勢(shì)差同時(shí)落在兩界面(jimin)間及半導(dǎo)體表面的空