半導(dǎo)體第七章金屬和半導(dǎo)體接觸

半導(dǎo)體第七章金屬和半導(dǎo)體接觸第一頁(yè)，共52頁(yè)。本章內(nèi)容金屬和半導(dǎo)體接觸（4學(xué)時(shí)）金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖；少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸。重點(diǎn)：金屬和半導(dǎo)體之間接觸的能帶圖，少數(shù)載流子的注入過(guò)程和形成歐姆接觸的必要條件。第二頁(yè)，共52頁(yè)。7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖金屬功函數(shù)7.1.1金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)金屬中的電子雖然能在金屬中自由運(yùn)動(dòng)，但絕大多數(shù)所處的能級(jí)都低于體外能級(jí)。第三頁(yè)，共52頁(yè)。金屬功函數(shù)隨原子序數(shù)的遞增呈現(xiàn)周期性變化第四頁(yè)，共52頁(yè)。關(guān)于功函數(shù)的幾點(diǎn)說(shuō)明:對(duì)金屬而言,功函數(shù)Wm可看作是固定的.功函數(shù)Wm標(biāo)志了電子在金屬中被束縛的程度.

對(duì)半導(dǎo)體而言,功函數(shù)與摻雜有關(guān)功函數(shù)與表面有關(guān).功函數(shù)是一個(gè)統(tǒng)計(jì)物理量。第五頁(yè)，共52頁(yè)。半導(dǎo)體的功函數(shù)WsE0與費(fèi)米能級(jí)之差稱為半導(dǎo)體的功函數(shù)。Ec(EF)sEvE0χWsχ表示從Ec到E0的能量間隔：稱χ為電子的親和能，它表示要使半導(dǎo)體導(dǎo)帶底的電子逸出體外所需要的最小能量。EnEp第六頁(yè)，共52頁(yè)。故其中對(duì)半導(dǎo)體，電子親和能χ是固定的，功函數(shù)與摻雜有關(guān)第七頁(yè)，共52頁(yè)。半導(dǎo)體功函數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系

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n型半導(dǎo)體:

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p型半導(dǎo)體:第八頁(yè)，共52頁(yè)。7.1.2接觸電勢(shì)差設(shè)想有一塊金屬和一塊n型半導(dǎo)體，并假定金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)，即：接觸前：Ec(EF)sEvE0χWsEnWm(EF)m第九頁(yè)，共52頁(yè)。金屬和半導(dǎo)體間距離D遠(yuǎn)大于原子間距由于Wm>Ws，即EFm<EFN

半導(dǎo)體中電子能量較大—易進(jìn)入金屬—金屬帶負(fù)電—半導(dǎo)體帶正電（施主離子）—形成空間電荷區(qū)（類(lèi)似P-N結(jié)）—能帶將彎曲—形成勢(shì)壘—接觸電位差—到平衡—費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)一第十頁(yè)，共52頁(yè)。隨著D的減小靠近半導(dǎo)體一側(cè)的金屬表面負(fù)電荷密度增加，同時(shí)靠近金屬一側(cè)的半導(dǎo)體表面的正電荷密度也隨之增加。由于半導(dǎo)體中自由電荷密度的限制，正電荷分布在一層相當(dāng)厚的表面層內(nèi)，即空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)內(nèi)存在一定電場(chǎng)，造成能帶彎曲。半導(dǎo)體表面和內(nèi)部之間存在電勢(shì)差VS，稱為表面勢(shì)。第十一頁(yè)，共52頁(yè)。若D小到可以與原子間距相比較忽略間隙中電勢(shì)差的極限情況電子可自由穿過(guò)間隙，這時(shí)Vms很小，接觸電勢(shì)差大部分降落在空間電荷區(qū)。半導(dǎo)體一側(cè)電子的勢(shì)壘高度（接觸勢(shì)壘）金屬一側(cè)電子的勢(shì)壘高度第十二頁(yè)，共52頁(yè)。若Wm>Ws，半導(dǎo)體表面形成正的空間電荷區(qū)，電場(chǎng)由體內(nèi)指向表面，Vs<0，形成表面勢(shì)壘（阻擋層）。EnEcEv(EF)sqVDqΦnsWmχ能帶向上彎曲，形成表面勢(shì)壘。勢(shì)壘區(qū)電子濃度比體內(nèi)小得多→高阻區(qū)(阻擋層)。第十三頁(yè)，共52頁(yè)。若Wm<Ws，電子從金屬流向半導(dǎo)體，半導(dǎo)體表面形成負(fù)的空間電荷區(qū)，電場(chǎng)由表面指向體內(nèi)，Vs>0。形成高電導(dǎo)區(qū)（反阻擋層）。能帶向下彎曲。這里電子濃度比體內(nèi)大得多，因而是一個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，稱之為反阻擋層。EnEcEv(EF)sqVDX-Wm第十四頁(yè)，共52頁(yè)。金屬與p型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若Wm<Ws，形成空穴的表面勢(shì)壘。在勢(shì)壘區(qū)，空間電荷主要由電離受主形成，空穴濃度比體內(nèi)小得多，也是一個(gè)高阻區(qū)域，形成P型阻擋層。第十五頁(yè)，共52頁(yè)。金屬與p型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若Wm>Ws，能帶向上彎曲，形成P型反阻擋層。第十六頁(yè)，共52頁(yè)。n型p型Wm>Ws阻擋層反阻擋層Wm<Ws反阻擋層阻擋層上述金半接觸模型即為Schottky模型：第十七頁(yè)，共52頁(yè)。

7.1.3表面態(tài)對(duì)接觸電勢(shì)的影響實(shí)驗(yàn)表明：不同金屬的功函數(shù)雖然相差很大，但與半導(dǎo)體接觸時(shí)形成的勢(shì)壘高度卻相差很小。半導(dǎo)體金屬功函數(shù)m(V)n-GaAsAuAlPt4.84.255.360.950.800.94說(shuō)明金屬的功函數(shù)對(duì)勢(shì)壘高度的影響并不顯著。原因：半導(dǎo)體表面存在表面態(tài)。第十八頁(yè)，共52頁(yè)。表面態(tài)分為施主型和受主型。表面態(tài)在半導(dǎo)體表面禁帶中呈現(xiàn)一定分布，表面處存在一個(gè)距離價(jià)帶頂為qФ0的能級(jí)。電子正好填滿qФ0以下所有的表面態(tài)時(shí)，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(fù)電，呈現(xiàn)受主型。對(duì)于大多數(shù)半導(dǎo)體，qФ0約為禁帶寬度的三分之一。巴?。˙ardeen）提出應(yīng)該考慮到半導(dǎo)體表面存在密度相當(dāng)大的表面態(tài)。如果認(rèn)為在金屬和半導(dǎo)體之間存在原子線度的間隙，表面態(tài)中的電荷可通過(guò)在間隙中產(chǎn)生的電勢(shì)差對(duì)勢(shì)壘高度起到鉗制作用。第十九頁(yè)，共52頁(yè)。若n型半導(dǎo)體存在表面態(tài)，費(fèi)米能級(jí)高于qФ0，如果qФ0以上存在有受主型表面態(tài)，在EF與qФ0之間的能級(jí)將被電子填滿，表面帶負(fù)電。表面附近出現(xiàn)正的空間電荷區(qū)，形成電子勢(shì)壘。勢(shì)壘高度qVD恰好使表面態(tài)上的負(fù)電荷與勢(shì)壘區(qū)的正電荷相等。第二十頁(yè)，共52頁(yè)。若表面態(tài)密度很大，只要EF比qФ0高一點(diǎn)，表面態(tài)上就會(huì)積累很多負(fù)電荷。由于能帶上彎，表面處EF很接近qФ0，勢(shì)壘高度就等于原費(fèi)米能級(jí)與qФ0之差，稱為被高表面態(tài)密度釘扎。第二十一頁(yè)，共52頁(yè)。流向金屬的電子由受主表面提供。由于表面態(tài)密度很高，半導(dǎo)體勢(shì)壘區(qū)的情形基本不變。平衡后，半導(dǎo)體EF相對(duì)金屬EF下降了（Wm-Ws)?？臻g電荷區(qū)的正電荷等于表面受主態(tài)留下的負(fù)電荷與金屬表面負(fù)電荷之和。第二十二頁(yè)，共52頁(yè)。存在表面態(tài)即使不與金屬接觸，表面也形成勢(shì)壘。當(dāng)半導(dǎo)體的表面態(tài)密度很高時(shí)，可以屏蔽金屬接觸的影響，使半導(dǎo)體內(nèi)的勢(shì)壘高度和金屬的功函數(shù)幾乎無(wú)關(guān)，由半導(dǎo)體表面性質(zhì)決定。由于表面態(tài)密度的不同，緊密接觸時(shí)，接觸電勢(shì)差將有部分降落在半導(dǎo)體內(nèi)，金屬功函數(shù)對(duì)表面勢(shì)壘將產(chǎn)生不同程度的影響，但影響不大。（所以當(dāng)Wm〈Ws時(shí)，也可能形成n型阻擋層）第二十三頁(yè)，共52頁(yè)。7.2金屬半導(dǎo)體接觸整流理論電導(dǎo)的非對(duì)稱性（整流特性）在某一方向電壓作用下的電導(dǎo)與反方向電壓作用下的電導(dǎo)相差懸殊的器件特性首要條件：接觸必須形成半導(dǎo)體表面的阻擋層（形成多子的接觸勢(shì)壘）7.2.1整流特性第二十四頁(yè)，共52頁(yè)。（1）V=0半導(dǎo)體接觸表面能帶向上彎，形成n型阻擋層。當(dāng)阻擋層無(wú)外加電壓作用，從半導(dǎo)體流向金屬的電子與從金屬流向半導(dǎo)體的電子數(shù)量相等，處于動(dòng)態(tài)平衡，因而沒(méi)有凈的電子流流過(guò)阻擋層。第二十五頁(yè)，共52頁(yè)。（2）V>0若金屬接電源正極，n型半導(dǎo)體接電源負(fù)極，則外加電壓降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)體的正向電流。第二十六頁(yè)，共52頁(yè)。（3）V<0當(dāng)電源極性接法反過(guò)來(lái)，外加電壓方向和接觸表面勢(shì)方向相同，勢(shì)壘高度上升，金屬流向半導(dǎo)體的電子數(shù)占優(yōu)勢(shì)，形成從半導(dǎo)體流到金屬的反向電流。由于金屬中的電子要越過(guò)相當(dāng)高的勢(shì)壘qФns才能達(dá)到半導(dǎo)體，因此反向電流很小。

第二十七頁(yè)，共52頁(yè)。當(dāng)勢(shì)壘寬度大于電子的平均自由程，電子通過(guò)勢(shì)壘要經(jīng)過(guò)多次碰撞，這樣的阻擋層稱為厚阻擋層。擴(kuò)散理論適用于厚阻擋層。計(jì)算通過(guò)勢(shì)壘的電流時(shí)，必須同時(shí)考慮漂移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。勢(shì)壘區(qū)的電勢(shì)分布是比較復(fù)雜的,當(dāng)勢(shì)壘高度遠(yuǎn)大于k0T時(shí)，勢(shì)壘區(qū)可近似為一個(gè)耗盡層。理論解釋

①擴(kuò)散理論第二十八頁(yè)，共52頁(yè)。根據(jù)邊界條件：半導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)為零；以金屬費(fèi)米能級(jí)除以-q為電勢(shì)零點(diǎn)，可得第二十九頁(yè)，共52頁(yè)。第三十頁(yè)，共52頁(yè)。當(dāng)V>0時(shí)，若qV>>k0T，則當(dāng)V<0時(shí)，若|qV|>>k0T，則該理論適用于遷移率較小，平均自由程較短的半導(dǎo)體，如氧化亞銅。第三十一頁(yè)，共52頁(yè)。第三十二頁(yè)，共52頁(yè)。當(dāng)n型阻擋層很薄，電子平均自由程遠(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。

②熱電子發(fā)射理論第三十三頁(yè)，共52頁(yè)。針對(duì)n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。第三十四頁(yè)，共52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；負(fù)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。第三十五頁(yè)，共52頁(yè)。

③鏡像力和隧道效應(yīng)的影響第三十六頁(yè)，共52頁(yè)。

鏡像力的影響第三十七頁(yè)，共52頁(yè)。隧道效應(yīng)

微觀粒子要越過(guò)一個(gè)勢(shì)壘時(shí)，能量超過(guò)勢(shì)壘高度的微粒子，可以越過(guò)勢(shì)壘，而能量低于勢(shì)壘高度的粒子也有一定的概率穿過(guò)勢(shì)壘，其他的則被反射。這就是所謂微粒子的隧道效應(yīng)。

第三十八頁(yè)，共52頁(yè)。

隧道效應(yīng)的影響結(jié)論：只有在反向電壓較高時(shí)，電子的動(dòng)能較大，使有效勢(shì)壘高度下降較多，對(duì)反向電流的影響才是顯著的。第三十九頁(yè)，共52頁(yè)。肖特基勢(shì)壘二極管與p-n結(jié)的相同點(diǎn)：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦?。與p-n結(jié)的不同點(diǎn)：（1）多數(shù)載流子器件和少數(shù)載流子器件（2）無(wú)電荷存貯效應(yīng)和有電荷存貯效應(yīng)（3）高頻特性好。（4）正向?qū)妷盒?。第四十?yè)，共52頁(yè)。肖特基二極管JsD和JsT比p-n結(jié)反向飽和電流Js大得多。即肖特基二極管有較低的正向?qū)妷?。用途：鉗位二極管(提高電路速度)等。第四十一頁(yè)，共52頁(yè)。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(shì)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)載流子的注入第四十二頁(yè)，共52頁(yè)。加正壓時(shí)，勢(shì)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。空穴電流大小，取決于阻擋層的空穴濃度。第四十三頁(yè)，共52頁(yè)。平衡時(shí)，如果接觸面處有此時(shí)若有外加電壓，p(0)將超過(guò)n0，則空穴電流的貢獻(xiàn)就很重要了。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γ表示。第四十四頁(yè)，共52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，而空穴在阻擋層內(nèi)界形成積累，然后再依靠擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)部。對(duì)n型阻擋層而言第四十五頁(yè)，共52頁(yè)。7.2.2歐姆接觸定義不產(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。當(dāng)有電流經(jīng)過(guò)時(shí)，歐姆接觸上的電壓降應(yīng)遠(yuǎn)小于樣品或者器件本身的壓降，即電流-電壓特性是由樣品的電阻或者器件的特性決定的。第四十六頁(yè)，共52頁(yè)。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。

隧道效應(yīng)：

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