金屬半導體接觸

關(guān)于金屬半導體接觸第1頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月上式表示一個起始能量等于費米能級的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小值。金屬中的電子勢阱EFWm

越大,金屬對電子的束縛越強第2頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月在半導體中，導帶底EC

和價帶頂EV一般都比E0

低幾個電子伏特。半導體功函數(shù)的定義:真空中靜止電子的能量E0

與半導體的EF

能量之差，即Ws

與雜質(zhì)濃度有關(guān)E0ECEFEVWs電子的親合能第3頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2.接觸電勢差EvWs(a)接觸前半導體的功函數(shù)又寫為第4頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月D（b）間隙很大(D>原子間距)金屬表面負電半導體表面正電Vm:

金屬的電勢Vs:半導體的電勢第5頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月平衡時,

無電子的凈流動.相對于(EF)m,半導體的(EF)s下降了接觸電勢差:金屬和半導體接觸而產(chǎn)生的電勢差Vms.第6頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月（c）緊密接觸半導體表面有空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)有電場電場造成能帶彎曲E+_因表面勢Vs<0能帶向上彎曲qVD第7頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月接觸電勢差一部分降落在空間電荷區(qū),另一部分降落在金屬和半導體表面之間若D原子間距,電子可自由穿過間隙,Vms0,則接觸電勢差大部分降落在空間電荷區(qū)第8頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月（d）忽略間隙qVD第9頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月半導體一邊的勢壘高度金屬一邊的勢壘高度第10頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月半導體表面形成一個正的空間電荷區(qū)電場方向由體內(nèi)指向表面(Vs<0)半導體表面電子的能量高于體內(nèi)的，能帶向上彎曲，即形成表面勢壘當金屬與n型半導體接觸Wm>Ws在勢壘區(qū)中，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度要比體內(nèi)小得多，因此它是一個高阻的區(qū)域，常稱為阻擋層。第11頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月Wm<Ws當金屬與n型半導體接觸半導體表面形成一個負的空間電荷區(qū)電場方向由表面指向體內(nèi)(Vs>0)半導體表面電子的能量低于體內(nèi)的，能帶向下彎曲在空間電荷區(qū)中，電子濃度要比體內(nèi)大得多，因此它是一個高電導的區(qū)域，稱為反阻擋層。第12頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月EcEvEFWs-Wm-Wm金屬和n型半導體接觸能帶圖

(Wm<Ws)反阻擋層薄,高電導,對接觸電阻影響小第13頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月能帶向下彎曲,造成空穴的勢壘,形成p型阻擋層當金屬與p型半導體接觸能帶向上彎曲,形成p型反阻擋層第14頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月WmEcEvEcEv金屬和p型半導體接觸能帶圖(a)(b)(a)p型阻擋層(Wm<Ws)

(b)p型反阻擋層(Wm>Ws)第15頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月形成n型和p型阻擋層的條件Wm>WsWm<Ws

n型

p型阻擋層反阻擋層阻擋層反阻擋層第16頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月3.表面態(tài)對接觸勢壘的影響金屬和n半導體接觸時,形成的金屬的勢壘高度同一半導體,不變.qns應(yīng)隨Wm

而變???事實上,由于半導體表面態(tài)的存在,

Wm

對qns的影響不大第17頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月表面態(tài)分施主表面態(tài)和受主表面態(tài)，在半導體表面禁帶中形成一定的分布，存在一個距價帶頂為q0

的能級對多數(shù)半導體，q0

約為禁帶寬度的1/3電子填滿q0

以下所有表面態(tài)時，表面電中性

q0

以下的表面態(tài)空著時，表面帶正電，呈現(xiàn)施主型q0

以上的表面態(tài)被電子填充時，表面帶負電，呈現(xiàn)受主型第18頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月存在受主表面態(tài)時n型半導體的能帶圖EFqnsWsq0qVDEVEC第19頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月若表面態(tài)密度很大，只要EF

比q0

高一點，表面上就會積累很多負電荷，能帶上彎存在高表面態(tài)密度時n型半導體的能帶圖qnsWsq0EnEFEVEc第20頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月高表面態(tài)密度時，勢壘高度勢壘高度稱為被高表面態(tài)密度釘扎無表面態(tài)，半導體的功函數(shù)第21頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月有表面態(tài)，即使不與金屬接觸，表面也形成勢壘，半導體的功函數(shù)（形成電子勢壘時）表面態(tài)密度很高時費米能級釘扎效應(yīng)：在半導體表面，費米能級的位置由表面態(tài)決定，而與半導體摻雜濃度無關(guān)的現(xiàn)象。第22頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月表面受主態(tài)密度很高的n型半導體與金屬接觸能帶圖(a)接觸前E0Wm(EF)mqns(EF)sECqVD(省略表面態(tài)能級）第23頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月金和半接觸時,當半導體的表面態(tài)密度很高時電子從半導體流向金屬這些電子由受主表面態(tài)提供平衡時，費米能級達同一水平Wm(EF)sECqVDWm-Ws(b)緊密接觸空間電荷區(qū)的正電荷＝表面受主態(tài)上的負電荷＋金屬表面負電荷第24頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月表面受主態(tài)密度很高的n型半導體與金屬接觸能帶圖(c)極限情形(EF)sECqns第25頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月半導體的勢壘高度半導體內(nèi)的表面勢壘qVD

在接觸前后不變因表面態(tài)密度很高，表面態(tài)中跑掉部分電子后，表面能級q0

的位置基本不變第26頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月勢壘高度金屬和p型半導體接觸時情形類似金－半接觸的的勢壘高度與金屬的功函數(shù)無關(guān)只取決于表面能級的位置當表面態(tài)起主要作用時表面態(tài)密度不同，緊密接觸時，接觸電勢差有一部分要降落在半導體表面以內(nèi)，金屬功函數(shù)對表面勢壘將產(chǎn)生不同程度的影響，但影響不大。但是第27頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月§８.2金屬半導體接觸（阻擋層）整流理論金－n型半接觸，Wm>Ws

時，在半導體表面形成一個高阻區(qū)域，叫阻擋層有外加V時，表面勢為(Vs)0＋V無外加V時，表面勢為(Vs)0電子勢壘高度為V

與(Vs)0

同符號時，阻擋層勢壘提高V

與(Vs)0

反符號時，阻擋層勢壘下降第28頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月外加電壓對n型阻擋層的影響(a)V=0qnsqVD=－q(Vs)0第29頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月外加電壓對n型阻擋層的影響(b)V>0qnsqV－q[(Vs)0+V]金屬正，半導體負從半到金的電子數(shù)目增加，形成從金到半的正向電流，此電流由多子構(gòu)成V,勢壘下降越多，正向電流越大因Vs<0第30頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月(c)V<0金屬負，半導體正-qVqns－q[(Vs)0+V]從半到金的電子數(shù)目減少，金到半的電子流占優(yōu)勢形成從半到金的反向電流金屬中的電子要越過很高的勢壘qns，所以反向電流很小qns不隨V變，所以從金到半的電子流恒定。V,反向電流飽和第31頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月阻擋層具有整流作用對p型阻擋層V<0,金屬負偏，形成從半向金的正向電流V>0,金屬正偏，形成反向電流第32頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月1.厚阻擋層的擴散理論

對n型阻擋層，當勢壘的寬度比電子的平均自由程大得多時，電子通過勢壘區(qū)要發(fā)生多次碰撞。當勢壘高度遠大于kT

時，勢壘區(qū)可近似為一個耗盡層。厚阻擋層須同時考慮漂移和擴散0xdxqnsEF00VEn=qn第33頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

耗盡層中，載流子極少，雜質(zhì)全電離，空間電荷完全由電離雜質(zhì)的電荷形成。這時的泊松方程是若半導體是均勻摻雜的，那么耗盡層中的電荷密度也是均勻的，等于qND。第34頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月{0–第35頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月勢壘寬度V與(Vs)0同號時，勢壘高度提高，勢壘寬度增大厚度依賴于外加電壓的勢壘，叫肖特基勢壘。第36頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月考慮漂移和擴散，流過勢壘的電流密度第37頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月V>0時，若qV>>kT,則V<0時，若qV>>kT,則JsD

隨電壓變化，不飽和金屬半導體接觸伏安特性VI擴散理論適用于遷移率小的半導體第38頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

計算超越勢壘的載流子數(shù)目（電流）就是熱電子發(fā)射理論。2.熱電子發(fā)射理論N型阻擋層很薄時:?電子的平均自由程遠大于勢壘寬度，擴散理論不再適用.?電子在勢壘區(qū)的碰撞可忽略，勢壘高度起作用以n型阻擋層為例，且假定勢壘高度第39頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

電子從金屬到半導體所面臨的勢壘高度不隨外加電壓變化。從金屬到半導體的電子流所形成的電流密度Jm

s是個常量，它應(yīng)與熱平衡條件下，即V=0時的Js

m大小相等，方向相反。因此，第40頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月有效理查遜常數(shù)熱電子向真空發(fā)射的有效理查遜常數(shù)第41頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月由上式得到總電流密度為：第42頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月Ge,Si,GaAs的遷移率高，自由程大，它們的肖特基勢壘中的電流輸運機構(gòu)，主要是多子的熱電子發(fā)射。熱電子發(fā)射理論得到的伏－安特性與擴散理論的一致。第43頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月3.鏡象力和隧道效應(yīng)的影響鍺檢波器的反向特性第44頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月若電子距金屬表面的距離為x，則它與感應(yīng)正電荷之間的吸引力，相當于該電子與位于(–x)處的等量正電荷之間的吸引力，這個正電荷稱為鏡象電荷。在金屬–真空系統(tǒng)中，一個在金屬外面的電子，要在金屬表面感應(yīng)出正電荷，同時電子要受到正電荷的吸引。（1）鏡象力的影響第45頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月鏡象電荷電子–x′nx鏡象電荷這個吸引力稱為鏡象力，它應(yīng)為第46頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月把電子從x點移到無窮遠處，電場力所做的功半導體和金屬接觸時，在耗盡層中，選(EF)m為勢能零點，由于鏡像力的作用，電子的勢能第47頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月qΔΦqΦns(EF)m0無鏡象力有鏡象力xm鏡象勢能平衡時鏡象力對勢壘的影響x第48頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月電勢能在xm處出現(xiàn)極大值，這個極大值發(fā)生在作用于電子上的鏡象力和電場力相平衡的地方，即若,從上式得到第49頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月勢壘頂向內(nèi)移動，并且引起勢壘的降低q

。勢能的極大值小于qΦns。這說明，鏡象力使平衡時，q

很小，可忽略外加電壓非平衡時，勢壘極大值所對應(yīng)的x值第50頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月當反向電壓較高時，勢壘的降低變得明顯，鏡象力的影響顯得重要。勢壘的降低量鏡象力所引起的勢壘降低量隨反向電壓的增加而緩慢地增大第51頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月不考慮鏡像力的影響時考慮鏡像力的影響時JsD中的變?yōu)閂,JsD

第52頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）隧道效應(yīng)的影響能量低于勢壘頂?shù)碾娮佑幸欢ǜ怕蚀┻^勢壘，穿透的概率與電子能量和勢壘厚度有關(guān)隧道效應(yīng)的簡化模型對于一定能量的電子，存在一個臨界勢壘厚度xc,若xd>xc,則電子完全不能穿過勢壘；若xd<xc,則勢壘對于電子完全透明，即勢壘降低了.金屬一邊的有效勢壘高度為-qV(x),若xc<<xd第53頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道效應(yīng)引起的勢壘降低為反向電壓較高時，勢壘的降低才明顯第54頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月鏡像力和隧道效應(yīng)對反向特性影響顯著?引起勢壘高度的降低，使反向電流增加?反向電壓越大，勢壘降低越顯著，反向電流越大第55頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月4.肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管的正向電流，主要是由半導體中的多數(shù)載流子進入金屬形成的，此二極管將有較低的正向?qū)妷?，一般?·3V左右，且有更好的高頻特性。利用金屬－半導體整流接觸特性制成的二極管第56頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

§８·3少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸1·少數(shù)載流子的注入

N型半導體的勢壘和阻擋層都是對電子而言，由于空穴所帶電荷與電子電荷符號相反，電子的阻擋層就是空穴的積累層?？昭ǖ臐舛仍诒砻孀畲蟮?7頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

空穴電流的大小，首先決定于阻擋層中的空穴濃度。只要勢壘足夠高，靠近接觸面的空穴濃度就可以很高?？昭ㄗ员砻嫦騼?nèi)部擴散。正偏時，勢壘降低，空穴擴散占優(yōu)勢，形成的電流與電子電流同向。第58頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月Ec(0)Ev(0)EcEFEvN型反型層中的載流子濃度如果在接觸面附近，費米能級和價帶頂?shù)木嚯x則p(0)值應(yīng)和n0

值相近，