半導(dǎo)體物理經(jīng)典課件第八章金屬半導(dǎo)體接觸

半導(dǎo)體物理經(jīng)典課件第八章金屬半導(dǎo)體接觸第一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五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(qiáng)第二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五在半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶底EC

和價帶頂EV一般都比E0

低幾個電子伏特。半導(dǎo)體功函數(shù)的定義:真空中靜止電子的能量E0

與半導(dǎo)體的EF

能量之差，即Ws

與雜質(zhì)濃度有關(guān)E0ECEFEVWs電子的親合能第三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五2.接觸電勢差EvWs(a)接觸前半導(dǎo)體的功函數(shù)又寫為第四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五D（b）間隙很大(D>原子間距)金屬表面負(fù)電半導(dǎo)體表面正電Vm:

金屬的電勢Vs:半導(dǎo)體的電勢第五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五平衡時,

無電子的凈流動.相對于(EF)m,半導(dǎo)體的(EF)s下降了接觸電勢差:金屬和半導(dǎo)體接觸而產(chǎn)生的電勢差Vms.第六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五（c）緊密接觸半導(dǎo)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第七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五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(dǎo)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)第八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五（d）忽略間隙qVD第九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五半導(dǎo)體一邊的勢壘高度金屬一邊的勢壘高度第十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五半導(dǎo)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(dǎo)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(dāng)金屬與n型半導(dǎo)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。第十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五Wm<Ws當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體表面形成一個負(fù)的空間電荷區(qū)電場方向由表面指向體內(nèi)(Vs>0)半導(dǎo)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(dǎo)的區(qū)域，稱為反阻擋層。第十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五EcEvEFWs-Wm-Wm金屬和n型半導(dǎo)體接觸能帶圖

(Wm<Ws)反阻擋層薄,高電導(dǎo),對接觸電阻影響小第十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五能帶向下彎曲,造成空穴的勢壘,形成p型阻擋層當(dāng)金屬與p型半導(dǎo)體接觸能帶向上彎曲,形成p型反阻擋層第十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五WmEcEvEcEv金屬和p型半導(dǎo)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)第十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五形成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十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五3.表面態(tài)對接觸勢壘的影響金屬和n半導(dǎo)體接觸時,形成的金屬的勢壘高度同一半導(dǎo)體,不變.qns應(yīng)隨Wm

而變???事實上,由于半導(dǎo)體表面態(tài)的存在,

Wm

對qns的影響不大第十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五表面態(tài)分施主表面態(tài)和受主表面態(tài)，在半導(dǎo)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(dǎo)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(fù)電，呈現(xiàn)受主型第十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五存在受主表面態(tài)時n型半導(dǎo)體的能帶圖EFqnsWsq0qVDEVEC第十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五若表面態(tài)密度很大，只要EF

比q0

高一點，表面上就會積累很多負(fù)電荷，能帶上彎存在高表面態(tài)密度時n型半導(dǎo)體的能帶圖qnsWsq0EnEFEVEc第二十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五高表面態(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(dǎo)體的功函數(shù)第二十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五有表面態(tài)，即使不與金屬接觸，表面也形成勢壘，半導(dǎo)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(dǎo)體表面，費米能級的位置由表面態(tài)決定，而與半導(dǎo)體摻雜濃度無關(guān)的現(xiàn)象。第二十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五表面受主態(tài)密度很高的n型半導(dǎo)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）第二十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五金和半接觸時,當(dāng)半導(dǎo)體的表面態(tài)密度很高時電子從半導(dǎo)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(dá)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(fù)電荷＋金屬表面負(fù)電荷第二十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五表面受主態(tài)密度很高的n型半導(dǎo)體與金屬接觸能帶圖(c)極限情形(EF)sECqns第二十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五半導(dǎo)體的勢壘高度半導(dǎo)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

的位置基本不變第二十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五勢壘高度金屬和p型半導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)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。但是第二十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五§８.2金屬半導(dǎo)體接觸（阻擋層）整流理論金－n型半接觸，Wm>Ws

時，在半導(dǎo)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，阻擋層勢壘下降第二十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五外加電壓對n型阻擋層的影響(a)V=0qnsqVD=－q(Vs)0第二十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五外加電壓對n型阻擋層的影響(b)V>0qnsqV－q[(Vs)0+V]金屬正，半導(dǎo)體負(fù)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第三十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五(c)V<0金屬負(fù)，半導(dǎo)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,反向電流飽和第三十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五阻擋層具有整流作用對p型阻擋層V<0,金屬負(fù)偏，形成從半向金的正向電流V>0,金屬正偏，形成反向電流第三十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五1.厚阻擋層的擴(kuò)散理論

對n型阻擋層，當(dāng)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(dāng)勢壘高度遠(yuǎn)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(kuò)散0xdxqnsEF00VEn=qn第三十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

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(dǎo)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。第三十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五{0–第三十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五勢壘寬度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。第三十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五考慮漂移和擴(kuò)散，流過勢壘的電流密度第三十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五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(dǎo)體接觸伏安特性VI擴(kuò)散理論適用于遷移率小的半導(dǎo)體第三十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

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(yuǎn)大于勢壘寬度，擴(kuò)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，且假定勢壘高度第三十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

電子從金屬到半導(dǎo)體所面臨的勢壘高度不隨外加電壓變化。從金屬到半導(dǎo)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Jsm大小相等，方向相反。因此，第四十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五有效理查遜常數(shù)熱電子向真空發(fā)射的有效理查遜常數(shù)第四十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五由上式得到總電流密度為：第四十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五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(jī)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(kuò)散理論的一致。第四十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五3.鏡象力和隧道效應(yīng)的影響鍺檢波器的反向特性第四十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五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(dāng)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）鏡象力的影響第四十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五+-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)為第四十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五把電子從x點移到無窮遠(yuǎn)處，電場力所做的功半導(dǎo)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，電子的勢能第四十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五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第四十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五電勢能在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,從上式得到第四十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五勢壘頂向內(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值第五十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)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五十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五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

第五十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五（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第五十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五隧道效應(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五十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五鏡像力和隧道效應(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，反向電流越大第五十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五4.肖特基勢壘二極管肖特基勢