第5章金屬和半導(dǎo)體的接觸2011

1、20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平1第五章 金屬和半導(dǎo)體的接觸5.1金屬半導(dǎo)體接觸及其平衡態(tài)5.1.1 金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)5.1.2 有功函數(shù)差的金-半接觸5.1.3 表面態(tài)對(duì)接觸電勢(shì)差的影響5.1.4 歐姆接觸5.2 金屬半導(dǎo)體接觸的非平衡狀態(tài)5.2.1 不同偏置狀態(tài)下的肖特基勢(shì)壘5.2.2 正偏肖特基勢(shì)壘區(qū)中的費(fèi)米能級(jí)5.2.3 厚勢(shì)壘區(qū)金屬半導(dǎo)體接觸的伏安特性5.2.4 薄勢(shì)壘區(qū)金屬半導(dǎo)體接觸的伏安特性5.2.5 金半接觸的少子注入問(wèn)題5.2.6 非平衡態(tài)肖特基勢(shì)壘接觸的特點(diǎn)及其應(yīng)用20212021年年7 7月

2、月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平2金屬半導(dǎo)體接觸金半接觸的整流效應(yīng)是半導(dǎo)體物理效應(yīng)的早期發(fā)現(xiàn)之一，并且最早付諸應(yīng)用：1874年，德國(guó)物理學(xué)家布勞恩發(fā)現(xiàn)金屬探針與PbS和FeS2晶體的接觸具有不對(duì)稱的伏安特性；1876年，英國(guó)物理學(xué)家亞當(dāng)斯發(fā)現(xiàn)光照能使金屬探針與Se的點(diǎn)接觸產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)；1883年，福里茨發(fā)現(xiàn)金屬探針與Se的點(diǎn)接觸的整流特性；20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平3金屬半導(dǎo)體接觸1904年，美國(guó)電氣工程師鮑斯獲得Si和PbS點(diǎn)接觸整流器的專利權(quán)1906年，美國(guó)電

3、氣工程師皮卡德獲得點(diǎn)接觸晶體檢波器的專利權(quán)，這種器件是晶體檢波接收機(jī)（即礦石收音機(jī)）的關(guān)鍵部件；1920年，硒（Se）金半接觸整流器投入應(yīng)用；1926年，Cu2O點(diǎn)接觸整流二極管問(wèn)世，并在二戰(zhàn)中應(yīng)用于雷達(dá)檢波。20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平4第五章 金屬和半導(dǎo)體的接觸5.1金屬半導(dǎo)體接觸及其平衡態(tài)5.1.1 金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)5.1.2 有功函數(shù)差的金-半接觸5.1.3 表面態(tài)對(duì)接觸電勢(shì)差的影響5.1.4 歐姆接觸5.2 金屬半導(dǎo)體接觸的非平衡狀態(tài)5.2.1 不同偏置狀態(tài)下的肖特基勢(shì)壘5.2.2 正偏肖特基勢(shì)壘區(qū)

4、中的費(fèi)米能級(jí)5.2.3 厚勢(shì)壘區(qū)金屬半導(dǎo)體接觸的伏安特性5.2.4 薄勢(shì)壘區(qū)金屬半導(dǎo)體接觸的伏安特性5.2.5 金半接觸的少子注入問(wèn)題5.2.6 非平衡態(tài)肖特基勢(shì)壘接觸的特點(diǎn)及其應(yīng)用20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平55.1.1 金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)1、金屬的功函數(shù)2、半導(dǎo)體的功函數(shù) l功函數(shù)的定義: 真空能級(jí)E0與費(fèi)米能級(jí)EF能量之差. W= E0 - EFE020212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平6金屬的功函數(shù):真空能級(jí)E0與金屬費(fèi)米能級(jí) EF

5、m能量之差Wm= E0 EFm1、金屬的功函數(shù)金屬中的電子雖然在金屬中自由運(yùn)動(dòng)，但要使電子從金屬中逸出必須由外界給它以足夠的能量.因此,金屬向真空發(fā)射電子需要最低能量,這一最低能量定義為金屬的功函數(shù).功函數(shù)的大小反映了電子在金屬中被束縛的強(qiáng)弱。金屬中的電子勢(shì)阱 20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平7幾種常見(jiàn)元素的功函數(shù)（eV）元素AlCuAuWAgMoPtAl功函數(shù)4.184.595.204.554.424.215.434.18幾種常見(jiàn)元素的功函數(shù)（eV）20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)

6、電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平82 半導(dǎo)體的功函數(shù)半導(dǎo)體的功函數(shù)類似定義為真空能級(jí)E0與半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)EFs能量之差Ws= E0 EFs半導(dǎo)體的功函數(shù)WS是雜質(zhì)濃度的函數(shù)，而不像金屬那樣基本為一常數(shù)。 半導(dǎo)體中的電子從半導(dǎo)體中逸出必須由外界給它以足夠的能量. 電子親合能X 定義:E0與Ec之差CEE 020212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平9半導(dǎo)體的功函數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系半導(dǎo)體電子親合能X(eV)功函數(shù)Ws(eV)n型ND (cm-3) p型NA(cm-3)101410151016101410151016Si

7、4.054.374.314.254.874.934.99Ge4.134.434.374.314.514.574.63GaAs4.074.294. 234.175.205.265.32半導(dǎo)體的功函數(shù)WS= E0 - EFSEFS WS 20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平10半導(dǎo)體的功函數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系幾種半導(dǎo)體的電子親和能及其在不同摻雜濃度下的功函數(shù)計(jì)算值 半導(dǎo)體電子親合能X(eV)功函數(shù)Ws(eV)n型 ND (cm-3) p型 NA(cm-3)101410151016101410151016Si4.054.374.

8、314.254.874.934.99Ge4.134.434.374.314.514.574.63GaAs4.074.294. 234.175.205.265.32半導(dǎo)體的功函數(shù)WS= E0 - EFSEFS WS 20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平115.1.2 有功函數(shù)差的金半接觸 1、金屬n型半導(dǎo)體接觸 1) WMWS 2) WMWS2、金屬p型半導(dǎo)體接觸 1) WMWS 2) WMWS 3、肖特基勢(shì)壘接觸20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平

9、121、金屬與n型半導(dǎo)體的接觸 1) WMWS當(dāng)金屬費(fèi)米能級(jí)EFm與半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)EFs相同時(shí)二者達(dá)到平衡由于WMWS,表明n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)EFs高于金屬的費(fèi)米能級(jí)EFm ,半導(dǎo)體中的電子向金屬中移動(dòng),金屬表面帶負(fù)電,半導(dǎo)體表面帶正電。20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平131、金屬與n型半導(dǎo)體的接觸 WMWS ,表明n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)EFs高于金屬的費(fèi)米能級(jí)EFm ,半導(dǎo)體中的電子向金屬中移動(dòng),金屬表面帶負(fù)電,半導(dǎo)體表面帶正電。當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若WMWS，則在半導(dǎo)體表面形成一個(gè)由電離施主構(gòu)成的正空間電荷

10、區(qū)，其中電子濃度極低，是一個(gè)高阻區(qū)域，常稱為電子阻擋層。阻擋層內(nèi)存在方向由體內(nèi)指向表面的自建電場(chǎng)，它使半導(dǎo)體表面電子的能量高于體內(nèi)，能帶向上彎曲，即形成電子的表面勢(shì)壘，因此該空間電荷區(qū)又稱電子勢(shì)壘區(qū)。 20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平14接觸電勢(shì)差與阻擋層由于WMWS,表明n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)EFs高于金屬的費(fèi)米能級(jí)EFm ,半導(dǎo)體中的電子向金屬中移動(dòng),金屬表面帶負(fù)電,半導(dǎo)體表面帶正電。當(dāng)金屬費(fèi)米能級(jí)EFm與半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)EFs相同時(shí)二者達(dá)到平衡半導(dǎo)體表面形成空間電荷區(qū)，電場(chǎng)方向由體內(nèi)指向表面，使表面電子的能量高于體

11、內(nèi),能帶向上彎曲構(gòu)成勢(shì)壘。由于空間電荷區(qū)主要由電離施主形成,是一個(gè)高阻區(qū),故稱之為n型阻擋層型阻擋層。20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平152) WMWS的情況半導(dǎo)體表面帶負(fù)電,空間電荷區(qū)電場(chǎng)的方向由半導(dǎo)體表面指向體內(nèi)，表面電子的能量低于體內(nèi)，能帶向下彎曲，表面處電子濃度遠(yuǎn)大于體內(nèi)。所以此時(shí)的空間電荷區(qū)是一個(gè)很薄的高電導(dǎo)層，稱之為反阻擋層，對(duì)半導(dǎo)體和金屬的接觸電阻影響很小。WMWS, 金屬的費(fèi)米能級(jí)高于n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí),金屬中的電子向半導(dǎo)體中移動(dòng),在半導(dǎo)體表在半導(dǎo)體表面形成電子累積的負(fù)空面形成電子累積的負(fù)空間電荷區(qū)

12、間電荷區(qū).WmWsn型反阻擋層20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平162、金屬與p型半導(dǎo)體的接觸1）WMWS時(shí)，能帶向下彎曲成為空穴勢(shì) 壘，p型阻擋層。 2）WMWS時(shí)，能帶向上彎曲，形成p型反 阻擋層；20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平17接觸電勢(shì)差qVms=Wm Ws表面勢(shì)Vs:半導(dǎo)體表面與體內(nèi)電勢(shì)之差半導(dǎo)體側(cè)的勢(shì)壘高度qVD=WmWs金屬側(cè)的勢(shì)壘高度qns=qVD+En =Wmx肖特基勢(shì)壘接觸與阻擋層阻擋層形成的條件阻擋層形成的條件金屬與n

13、型半導(dǎo)體接觸: WMWS金屬與p型半導(dǎo)體接觸: WMWS肖特基勢(shì)壘高度只與金屬的功函數(shù)和半導(dǎo)體的親和能有關(guān),與半導(dǎo)體摻雜與否沒(méi)有關(guān)系。 20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平183、肖特基(勢(shì)壘)接觸滿足條件WMWS的金屬與n型半導(dǎo)體的接觸和WMWs的金屬接觸時(shí),半導(dǎo)體中表面態(tài)的電子向金屬中移動(dòng),如果表面態(tài)密度很高,則能夠提供足夠多的電子,而半導(dǎo)體勢(shì)壘區(qū)幾乎不發(fā)生變化.20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平26因此,如果用表面態(tài)密度高的n型半導(dǎo)體與金屬

14、相接觸，即便WmWs,由于EFS高于EFm，同樣會(huì)有電子流向金屬，但這些電子并不是來(lái)自半導(dǎo)體體內(nèi)，而是由表面態(tài)提供。由于表面態(tài)密度很高，能放出足夠多的電子，所以半導(dǎo)體勢(shì)壘區(qū)的狀態(tài)幾乎不會(huì)發(fā)生變化。平衡時(shí)，金屬的費(fèi)米能級(jí)與半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)達(dá)到同一水平，即也被釘扎在q0附近。當(dāng)半導(dǎo)體的表面態(tài)密度很高時(shí)，由于它可屏蔽金屬接觸的影響，以至于使得半導(dǎo)體近表面層的勢(shì)壘高度和金屬的功函數(shù)幾乎無(wú)關(guān)，而基本上僅由半導(dǎo)體的表面性質(zhì)所決定 .b)表面態(tài)密度很高時(shí)-勢(shì)壘釘扎20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平27表面態(tài)對(duì)金半接觸的影響 小結(jié)表面

15、態(tài)改變了半導(dǎo)體的功函數(shù)表面態(tài)使金-半接觸的勢(shì)壘高度不等于功函數(shù)差高表面態(tài)密度的半導(dǎo)體可以屏蔽金屬接觸的影響20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平28本節(jié)內(nèi)容小結(jié)1、半導(dǎo)體的功函數(shù)2、阻擋層的形成3、表面態(tài)對(duì)金半接觸的影響1、半導(dǎo)體的功函數(shù)FSSEEW0E0EFSWm20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平292、阻擋層的形成金屬n型半導(dǎo)體接觸 WMWS金屬p型半導(dǎo)體接觸 WMWS20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系

16、馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平303 表面態(tài)對(duì)金半接觸的影響表面態(tài)改變了半導(dǎo)體的功函數(shù)，使金-半接觸的勢(shì)壘高度不等于功函數(shù)差高表面態(tài)密度的半導(dǎo)體可以屏蔽金屬接觸的影響 如果用表面態(tài)密度很高的半導(dǎo)體與金屬相接觸，由于半導(dǎo)體表面釋放和接納電子的能力很強(qiáng)，整個(gè)金屬半導(dǎo)體系統(tǒng)費(fèi)米能級(jí)的調(diào)整主要在金屬和半導(dǎo)體表面之間進(jìn)行。這樣，無(wú)論金屬和半導(dǎo)體之間功函數(shù)差別如何，由表面態(tài)產(chǎn)生的半導(dǎo)體表面勢(shì)壘區(qū)幾乎不會(huì)發(fā)生什么變化。平衡時(shí)，金屬的費(fèi)米能級(jí)與半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)被釘扎在EFS0附近。這就是說(shuō)，當(dāng)半導(dǎo)體的表面態(tài)密度很高時(shí)，由于它可屏蔽金屬接觸的影響，使得半導(dǎo)體近表面層的勢(shì)壘高度和金屬的功函數(shù)幾乎無(wú)關(guān)，而基本上

17、僅由半導(dǎo)體的表面性質(zhì)所決定。 20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平315.1.4 歐姆接觸 不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，也不會(huì)像pn結(jié)那樣以注入和抽取的方式使半導(dǎo)體的載流子密度發(fā)生改變.任何兩種物體的接觸都會(huì)產(chǎn)生電阻，即接觸電阻. 歐姆接觸也不例外，但其阻值應(yīng)為不隨電壓變化的常數(shù)，且在理想情況下應(yīng)該趨于零歐姆接觸的實(shí)現(xiàn)似乎可以選擇高電導(dǎo)的反阻擋層金屬材料。但高密度表面態(tài)的存在使Ge、Si、GaAs這些常用半導(dǎo)體無(wú)論與什么樣的金屬接觸都會(huì)形成阻擋層，很難形成反阻擋層 。工程中通常不采用根據(jù)功函數(shù)選擇金屬材料的辦法，而用對(duì)接觸面實(shí)

18、行重?fù)诫s的方法形成歐姆接觸，即通過(guò)重?fù)诫s使半導(dǎo)體表面勢(shì)壘區(qū)變得非常窄，借助隧穿效應(yīng)將勢(shì)壘接觸變?yōu)闅W姆接觸 。 重?fù)诫spn結(jié)的空間電荷區(qū)可以薄到電子的隧穿長(zhǎng)度之下。這樣的pn結(jié)因電子隧穿而失去空間電荷區(qū)對(duì)載流子的阻擋作用。對(duì)金半接觸而言，如果半導(dǎo)體是重?fù)诫s，其阻擋層也會(huì)很薄。 制作歐姆接觸最常用的方法就是在半導(dǎo)體表面首先形成一個(gè)同型重?fù)诫s薄層，然后再淀積金屬，形成金屬-n+n或金屬-p+p結(jié)構(gòu)。由于低阻接觸層的引入，金屬的選擇就比較自由。在半導(dǎo)體表面淀積金屬電極的方法很多，常用的有蒸發(fā)、濺射和電鍍等。 20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)

19、電子工程系馬劍平32第五章 金屬和半導(dǎo)體的接觸5.1金屬半導(dǎo)體接觸及其平衡態(tài)5.1.1 金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)5.1.2 有功函數(shù)差的金-半接觸5.1.3 表面態(tài)對(duì)接觸電勢(shì)差的影響5.1.4 歐姆接觸5.2 金屬半導(dǎo)體接觸的非平衡狀態(tài)5.2.1 不同偏置狀態(tài)下的肖特基勢(shì)壘5.2.2 正偏肖特基勢(shì)壘區(qū)中的費(fèi)米能級(jí)5.2.3 厚勢(shì)壘區(qū)金屬半導(dǎo)體接觸的伏安特性5.2.4 薄勢(shì)壘區(qū)金屬半導(dǎo)體接觸的伏安特性5.2.5 金半接觸的少子注入問(wèn)題5.2.6 非平衡態(tài)肖特基勢(shì)壘接觸的特點(diǎn)及其應(yīng)用20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平335.2

20、 金屬半導(dǎo)體接觸的非平衡狀態(tài)5.2.1 不同偏置狀態(tài)下的肖特基勢(shì)壘5.2.2 正偏肖特基勢(shì)壘區(qū)中的費(fèi)米能級(jí)5.2.3 厚勢(shì)壘區(qū)金屬半導(dǎo)體接觸的伏安特性5.2.4 薄勢(shì)壘區(qū)金屬半導(dǎo)體接觸的伏安特性5.2.5 金半接觸的少子注入問(wèn)題5.2.6 非平衡態(tài)肖特基勢(shì)壘接觸的特點(diǎn)及其應(yīng)用20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平345.2.1 不同偏置狀態(tài)下的肖特基勢(shì)壘一、勢(shì)壘高度二、勢(shì)壘區(qū)的寬度、電場(chǎng)和電容三、電流密度20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平35一、勢(shì)

21、壘高度平衡態(tài)肖特基勢(shì)壘接觸的半導(dǎo)體表面與體內(nèi)電位之差(表面勢(shì))為VD 當(dāng)有外加電壓U全部降落于其上時(shí),二者之間的電位差即變?yōu)閂DU,阻擋層電子勢(shì)壘的高度也相應(yīng)地從qVD變?yōu)閝(VD+U)。正偏置時(shí)U與平衡態(tài)表面勢(shì)VD符號(hào)相反,阻擋層勢(shì)壘高度為q(VDU)；反偏置時(shí)U與平衡態(tài)表面勢(shì)VD符號(hào)相同,阻擋層勢(shì)壘高度為q(VDU) 由于外加電壓在金屬一側(cè)沒(méi)有降落,偏置狀態(tài)下,電子在金屬一側(cè)的勢(shì)壘高度qM不會(huì)隨電壓變化而變化，永遠(yuǎn)保持其平衡態(tài)的高度不變。WMWS的金屬與n型半導(dǎo)體接觸處于不同偏置狀態(tài)的能帶示意圖 20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)

22、電子工程系馬劍平36二、勢(shì)壘區(qū)的寬度、電場(chǎng)和電容金屬和n型半導(dǎo)體接觸形成肖特基勢(shì)壘接觸時(shí)，金屬表面荷負(fù)電且有遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體的電荷密度，半導(dǎo)體近表面區(qū)則存在等量的正空間電荷，其分布情況和具有同樣電場(chǎng)分布的p+n單邊突變結(jié)完全相同,勢(shì)壘區(qū)可近似為一個(gè)耗盡層。設(shè)均勻摻雜，耗盡層中電荷密度為qND 。+ + + + +xDx平衡態(tài)勢(shì)壘區(qū)的寬度XD,最大電場(chǎng)強(qiáng)度Em和勢(shì)壘比電容CTS分別為 DDDTSDDmDDDXVqNCVqNqNVX00002 ,2 ,2偏置狀態(tài)下 DDDTSDDmDDDXUVqNCUVqNqNUVX0000)(2 ,)(2 ,)(2偏置狀態(tài)下半導(dǎo)體一側(cè)的空間電荷區(qū)寬度、最大電場(chǎng)強(qiáng)度、

23、勢(shì)壘比電容都隨著外加電壓的變化而變化，與單邊突變結(jié)完全類似。 20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平37三、通過(guò)勢(shì)壘的電流密度正偏置時(shí)，從半導(dǎo)體進(jìn)入金屬的載流子數(shù)會(huì)因勢(shì)壘高度的降低而顯著增加，但從金屬到半導(dǎo)體的同類載流子則因肖特基勢(shì)壘高度qM不變而沒(méi)有變化，因而形成較大的正向電流。外加正向電壓越高，勢(shì)壘降低越多，正向電流越大。反向偏置時(shí)，由于半導(dǎo)體一側(cè)勢(shì)壘升高、金屬一側(cè)的勢(shì)壘高度仍然不變，從半導(dǎo)體進(jìn)入金屬的載流子數(shù)顯著減小，從金屬流向半導(dǎo)體的同類載流子數(shù)占相對(duì)優(yōu)勢(shì)，兩相抵消得到從金屬到半導(dǎo)體的凈電流，方向與正向電流方向相反

24、。但是，金屬中的電子要越過(guò)相當(dāng)高的勢(shì)壘qM才能進(jìn)入半導(dǎo)體，因此反向電流密度極小。另一方面，由于金屬一側(cè)的勢(shì)壘不隨外加電壓變化，從金屬進(jìn)入半導(dǎo)體的載流子數(shù)恒定不變，而從半導(dǎo)體進(jìn)入金屬的載流子則隨反向電壓的升高而減少，當(dāng)反向電壓升高到其值可忽略不計(jì)時(shí)，反向電流即趨于飽和。所以，不同偏置條件下的肖特基勢(shì)壘接觸與pn結(jié)類似，也具有單向?qū)щ娦陨踔练聪螂娏鞯娘柡托?。因而這種接觸也是一種整流接觸。不過(guò)，肖特基勢(shì)壘肖特基勢(shì)壘接觸的正、反向電流都是由多數(shù)載流子傳輸?shù)慕佑|的正、反向電流都是由多數(shù)載流子傳輸?shù)?，在這點(diǎn)上與pn結(jié)有本質(zhì)不同。 20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系

25、馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平385.2.2 正偏肖特基勢(shì)壘區(qū)中的費(fèi)米能級(jí) 20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平392 熱電子發(fā)射理論當(dāng)n型阻擋層很薄時(shí)，電子的平均自由程遠(yuǎn)大于勢(shì)壘寬度，擴(kuò)散理論顯然不再適用。此時(shí)，勢(shì)壘的高度成為電子能否通過(guò)的決定因素。熱電子發(fā)射理論認(rèn)為，半導(dǎo)體內(nèi)部的電子只要其能量超越勢(shì)壘的頂點(diǎn)就可以自由通過(guò)勢(shì)壘阻擋層進(jìn)入金屬。同樣，金屬中能量超越勢(shì)壘頂點(diǎn)的電子也可以到達(dá)半導(dǎo)體內(nèi)。所以，電流的計(jì)算就歸結(jié)為計(jì)算能量超越勢(shì)壘頂點(diǎn)的電子數(shù)目。這就是熱電子發(fā)射理論的核心觀點(diǎn)。20212021年年7 7月月29

26、29日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平40半導(dǎo)體中的電子數(shù)密度按速度的分布dEeEEhmdnTkEEcnF02132324dEeeEEhmdnTkEETkEEcncFc002132324221vmEEncTkEEcFceNn00dvTkvmvTkmndnnn02223002exp24vdvmdEn20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平41從半導(dǎo)體中進(jìn)入金屬的電子數(shù)目zyxzyxnndvdvdvTkvvvmTkmndn022223002exp2dvvTkvmTkmndnnn2022300

27、42exp2VVqvmsxn0221zyxxzyxnndvdvdvvTkvvvmTkmndN022223002exp22/1002nsxmVVqvxvxnxyynzznnmsdvTkvmvdvTkvmdvTkvmTkmqnJx002020223002exp2exp2exp2TkvmmTkqnJxnnms0202/1002exp220212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平42總的電流密度1expexp002TkqVTkqTAJJJnssmmsTkqVTkqTATkqVqVTkEEThkqmJnssFcnms0020002220e

28、xpexpexpexp4TkqTAJnssm02expTkvmmTkqnJxnnms0202/1002exp2TkEEnFcehTkmn032300222/1002nsxmVVqv20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平43從金屬中進(jìn)入半導(dǎo)體的電子數(shù)目金屬中能量超越勢(shì)壘頂點(diǎn)的電子也可以到達(dá)半導(dǎo)體內(nèi)，由于從金屬到半導(dǎo)體所面臨的勢(shì)壘高度不隨外加電壓變化，所以從金屬中進(jìn)入半導(dǎo)體的電子數(shù)目是個(gè)常量，等于熱平衡條件(V=0)下從半導(dǎo)體中進(jìn)入金屬的電子數(shù)目，顯然二者大小相等方向相反:TkqTAJnssm02exp20212021年年7

29、7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平44STM: Schematic of TechniqueConstant current contour Thermionic emitters are used as electron sources in devices such as TV, SEM, etcTipBias voltagee-DistanceSampleTunneling current e -2ksVDC20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平453 鏡像力和隧道

30、效應(yīng)的影響鏡像力:金屬外的電子必然會(huì)在金屬表面感應(yīng)出等量的正電荷，而金屬內(nèi)部的電子與感應(yīng)電荷之間存在吸引力，這個(gè)正電荷稱為鏡像電荷，這個(gè)吸引力稱為鏡像力?？紤]到鏡像力必然會(huì)引起電勢(shì)能的變化，因此必須對(duì)接觸處的理想模型進(jìn)行修正；隧道效應(yīng):根據(jù)隧道效應(yīng)原理,即使電子的能量低于勢(shì)壘也有一定的概率穿過(guò)這個(gè)勢(shì)壘,隧穿概率與電子的能量和勢(shì)壘厚度有關(guān)。20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平465.2.2 正偏肖特基勢(shì)壘區(qū)中的費(fèi)米能級(jí) 20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平47隧道效應(yīng).swf20212021年年7 7月月2929日星期四日星期四西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平西安理工大學(xué)電子工程系馬劍平484 肖特基勢(shì)壘二極管就載流子的運(yùn)動(dòng)形式而言，p-n結(jié)正向?qū)〞r(shí)，由p區(qū)注入的空穴和由n區(qū)注入的電子都是少數(shù)載流子，它們先形成一定的積累，然后靠擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成電流。這種注入的非平衡載流子的積累稱為電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，嚴(yán)重影響p-n結(jié)的高頻性能。p-n結(jié)二極管是少子器件，具有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。肖特基勢(shì)壘二極管的正向?qū)娏髦饕怯砂雽?dǎo)體中的多數(shù)載流子進(jìn)入金屬形成，是多子器件。肖特基勢(shì)壘二極管具有比p-n結(jié)二極管更好的高頻特性。對(duì)于同樣的使用電流