第八章金屬半導體接觸ppt課件

1、第八章第八章 金屬和半導體的接觸金屬和半導體的接觸.1 金屬半導體接觸及能級圖金屬半導體接觸及能級圖 1. 金屬和半導體的功函數(shù)金屬功函數(shù)金屬功函數(shù): 真空中靜止電子的能量真空中靜止電子的能量 (真真 空能級空能級E0 與與 金屬的金屬的 EF 能能 量之差，即量之差，即0()mFmWEEWm 表示一個能量等于費米能級的電表示一個能量等于費米能級的電子，由金屬內部逸出到真空中所需要子，由金屬內部逸出到真空中所需要的能量最小值。的能量最小值。金屬中的電子勢阱金屬中的電子勢阱0EmWEFWm 越大越大, 金屬對電子的束縛越強金屬對電子的束縛越強半導體功函數(shù)半導體功函數(shù): 真空中靜止電子的能量真空中

2、靜止電子的能量真空能級）真空能級） E0 與與 半導體的半導體的 EF 能量之能量之差，即差，即sFsEEW)(0Ws 與雜質濃度有關與雜質濃度有關E0ECEFEV Ws電子的親合能電子的親合能CEE 02. 金屬和半導體的接觸電勢差金屬和半導體的接觸電勢差半導體的功函數(shù)又寫為半導體的功函數(shù)又寫為nsFCsEEEW)(EvWssFE )(mW0ECEnEmFE )(smWW 金屬真空能級金屬真空能級半導體真空能級半導體真空能級（b間隙很大間隙很大 (D原子間距原子間距)D)(msVVqCEnEVEFEmWsW金屬表面負電金屬表面負電半導體表面正電半導體表面正電Vm: 金屬的電勢金屬的電勢Vs:

3、 半導體的電勢半導體的電勢金屬真空能級金屬真空能級半導體真空能級半導體真空能級smmsWWVVq)(平衡時平衡時, 無電子的凈流動無電子的凈流動. 相對于相對于(EF)m, 半導體的半導體的(EF)s下降了下降了qWWVVVmssmms接觸電勢差接觸電勢差Vms :金屬和半導體接觸而產(chǎn)生的電勢差金屬和半導體接觸而產(chǎn)生的電勢差 Vms.（c緊密接觸緊密接觸 半導體表面有空間半導體表面有空間 電荷區(qū)電荷區(qū) 空間電荷區(qū)內有電場空間電荷區(qū)內有電場 電場造成能帶彎曲電場造成能帶彎曲因表面勢因表面勢 Vs 0能帶向上彎曲能帶向上彎曲FE)(msVVqnSqmWCEnEVEE+_qVD接觸電勢差一部分降落在

4、空間電荷區(qū)接觸電勢差一部分降落在空間電荷區(qū), 另一另一部分降落在金屬和半導體表面之間部分降落在金屬和半導體表面之間smsmsVVqWW若若D原子間距原子間距, 電子可自由穿過間隙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)則接觸電勢差大部分降落在空間電荷區(qū)smsVqWW/ )(（d忽略間隙忽略間隙FEnSqCEVEnEqVD金屬一邊的勢壘高度金屬一邊的勢壘高度nSqqVD半導體一邊的勢壘高度半導體一邊的勢壘高度半導體一邊的勢壘高度半導體一邊的勢壘高度0,ssmsDVWWqVqV金屬一邊的勢壘高度金屬一邊的勢壘高度mnsmnsnDnsWEWWEqVEqVq 半導體表面形成

5、一個正的空間電荷區(qū)半導體表面形成一個正的空間電荷區(qū) 電場方向由體內指向表面電場方向由體內指向表面 (VsWs在勢壘區(qū)中，空間電荷主要由電離施主形成，在勢壘區(qū)中，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度要比體內小得多，因此它是一個高電子濃度要比體內小得多，因此它是一個高阻的區(qū)域，常稱為阻擋層。阻的區(qū)域，常稱為阻擋層。Wm0) 半導體表面電子的能量低于體內的，能半導體表面電子的能量低于體內的，能 帶向下彎曲帶向下彎曲在空間電荷區(qū)中，電子濃度要比體內大得多，在空間電荷區(qū)中，電子濃度要比體內大得多，因此它是一個高電導的區(qū)域，稱為反阻擋層。因此它是一個高電導的區(qū)域，稱為反阻擋層。EcEvEFWs-Wm-Wm

6、金屬和金屬和 n 型半導體接觸能帶圖型半導體接觸能帶圖 (WmWs)反阻擋層薄反阻擋層薄, 高電導高電導, 對接觸電阻影響小對接觸電阻影響小能帶向下彎曲能帶向下彎曲, 造成空穴的勢壘造成空穴的勢壘, 形成形成 p 型阻擋層型阻擋層smWW smWW 當金屬與當金屬與 p 型半導體接觸型半導體接觸能帶向上彎曲能帶向上彎曲, 形成形成 p 型反阻擋層型反阻擋層金屬和金屬和p型半導體接觸能帶圖型半導體接觸能帶圖(a) p型阻擋層型阻擋層(WmWs)EcEv(b)PSqsmDWWqVFEWmEcEv(a)PSqFEmsDWWqV形成形成n型和型和p型阻擋層的條件型阻擋層的條件WmWsWm Ws 時，在

7、半導體時，在半導體表面形成一個高阻區(qū)域，叫阻擋層表面形成一個高阻區(qū)域，叫阻擋層有外加有外加 V 時，表面勢為時，表面勢為(Vs)0V無外加無外加 V 時，表面勢為時，表面勢為(Vs)0電子勢壘高度為電子勢壘高度為)(0VVqsV 與與 (Vs)0 同符號時，阻擋層勢壘提高同符號時，阻擋層勢壘提高V 與與 (Vs)0 反符號時，阻擋層勢壘下降反符號時，阻擋層勢壘下降外加電壓對外加電壓對 n 型阻擋層的影響型阻擋層的影響(a) V=0qnsqVD =q(Vs)0外加電壓對外加電壓對 n 型阻擋層的影響型阻擋層的影響(b) V 0qnsqVq(Vs)0+V金屬正，半導體負金屬正，半導體負從半到金的電

8、子數(shù)目增加，從半到金的電子數(shù)目增加，形成從金到半的正向電流，形成從金到半的正向電流，此電流由多子構成此電流由多子構成V, 勢壘下降越多，勢壘下降越多， 正向電流越大正向電流越大因因 Vs0(c) V 0金屬負，半導體正金屬負，半導體正qnsq(Vs)0+V從半到金的電子數(shù)目減少，從半到金的電子數(shù)目減少，金到半的電子流占優(yōu)勢金到半的電子流占優(yōu)勢形成從半到金的反向電流形成從半到金的反向電流金屬中的電子要越過很高的金屬中的電子要越過很高的勢壘勢壘 qns，所以反向電流很小，所以反向電流很小qns不隨不隨V變，所以從金到半的電子流恒定。變，所以從金到半的電子流恒定。V, 反向電流飽和反向電流飽和- q

9、V阻擋層具有整流作用阻擋層具有整流作用對對p型阻擋層型阻擋層0)(0sVV0, 金屬正偏，形成反向電流金屬正偏，形成反向電流1. 厚阻擋層的擴散理論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。當勢壘高度遠大于當勢壘高度遠大于 kT 時，勢時，勢壘區(qū)可近似為一個耗盡層。壘區(qū)可近似為一個耗盡層。厚阻擋層厚阻擋層須同時考慮漂移和擴散須同時考慮漂移和擴散0 xdxqnsEFDsqVqV 00VEn=qn 耗盡層中，載流子極少，雜質全電離，空間電荷完全由電離雜質的電荷形成。這時的泊松方程是這時的泊松方程是若半導體是均勻摻雜的，那么耗盡層中的電若

10、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，等于荷密度也是均勻的，等于qND。0)()(rDqNdxxdVxE0rDqN22dxVd0)0(dxx )(dxx )(dxx)(xVnsdrDxxxqN)21(20勢壘寬度勢壘寬度 2/1002DsrdqNVVxV與與(Vs)0同號時，勢壘高度提高，勢壘寬度增大同號時，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。厚度依賴于外加電壓的勢壘，叫肖特基勢壘?？紤]漂移和擴散，流過勢壘的電流密度考慮漂移和擴散，流過勢壘的電流密度1expkTqVJJsD kTqVVVqNkTqVVqNkTNDqJDDrDnssrDcnsDexp

11、2exp22/102/100200nqnV0 時，假設時，假設 qVkT, 那么那么)exp(kTqVJJsDVkT, 那么那么sDJJJsD 隨電壓變化，不飽和隨電壓變化，不飽和金屬半導體接觸伏安特性金屬半導體接觸伏安特性VI擴散理論適用于擴散理論適用于遷移率小的半導體遷移率小的半導體 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)射理論熱電子發(fā)射理論N型阻擋層很薄時型阻擋層很薄時:電子的平均自由程遠大于勢壘寬度，電子的平均自由程遠大于勢壘寬度，擴散理論不再適用擴散理論不再適用.電子在勢壘區(qū)的碰撞可忽略，勢壘高度起作用電子在勢壘區(qū)的碰撞可忽略，勢壘高度起作用以以n型阻擋層為例

12、，且假定勢壘高度型阻擋層為例，且假定勢壘高度kTVqs0)( 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J m s是個常量，它應與熱平衡條件下，即V=0時的 J s m大小相等，方向相反。因而，)exp(*20kTqTAJJnsVmSsm有效理查遜常數(shù)有效理查遜常數(shù)32*4hkqmAn熱電子向真空發(fā)射的有效理查遜常數(shù)熱電子向真空發(fā)射的有效理查遜常數(shù))/(12022KcmAA由上式得到總電流密度為：由上式得到總電流密度為：1)exp(1)exp()exp(*2kTqVJTkqVTkqTAJJJsTnssmmSkTqTAJnssTexp2*Ge, S

13、i, GaAs的遷移率高，自由程大，它們的的遷移率高，自由程大，它們的肖特基勢壘中的電流輸運機構，主要是多子肖特基勢壘中的電流輸運機構，主要是多子的熱電子發(fā)射。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熱電子發(fā)射理論得到的伏安特性與擴散理論的一致。的一致。1expkTqVJJsD擴散理論擴散理論3. 鏡象力和隧道效應的影響鏡象力和隧道效應的影響（金半接觸整流器的伏安特（金半接觸整流器的伏安特性）性）鍺檢波器的反向特性鍺檢波器的反向特性若電子距金屬表面的距離為若電子距金屬表面的距離為x，則它與感應，則它與感應正電荷之間的吸引力，相當于該電子與位正電荷之間的吸引力，相當于該電子與位于于(

14、x)處的等量正電荷之間的吸引力，這處的等量正電荷之間的吸引力，這個正電荷稱為鏡像電荷。個正電荷稱為鏡像電荷。在金屬在金屬真空系統(tǒng)中，一個在金屬外面的電子，真空系統(tǒng)中，一個在金屬外面的電子，要在金屬表面感應出正電荷，同時電子要受到要在金屬表面感應出正電荷，同時電子要受到正電荷的吸引。正電荷的吸引。（1鏡像力的影響鏡像力的影響鏡像電荷電子xnx鏡鏡 像像 電電 荷荷這個吸引力稱為鏡像力，它應為這個吸引力稱為鏡像力，它應為20220216)2(4xqxqf把電子從把電子從x點移到無窮遠處，電場力所做的功點移到無窮遠處，電場力所做的功xqdxxqfdxx02020216116半導體和金屬接觸時，在耗盡

15、層中，選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，電子的勢能為勢能零點，由于鏡像力的作用，電子的勢能20202022116)(16xxxNqqxqxqVxqdrDnsrrqqns(EF)m 0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平衡時鏡象力對勢壘的影響x電勢能在電勢能在 xm 處出現(xiàn)極大值，這個極大處出現(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，即力相平衡的地方，即假設假設 , 從上式得到從上式得到)(16002202mdrDmrxxNqxq2/10)(41dDmXNxmdxx0勢壘頂向內

16、移動，并且引起勢壘的降低勢壘頂向內移動，并且引起勢壘的降低 q 。勢能的極大值小于勢能的極大值小于qns。這說明，鏡象力使。這說明，鏡象力使平衡時，平衡時， q 很小，可忽略很小，可忽略外加電壓非平衡時，外加電壓非平衡時， 勢壘極大值所對應的勢壘極大值所對應的x值值2/1)(41dDmXNx當反向電壓較高時，勢壘的降低變得明顯，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。鏡象力的影響顯得重要。勢壘的降低量勢壘的降低量4VNqxxNqqDrDdmrD鏡象力所引起的勢壘降低量隨反向電壓的增加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而緩慢地增大k

17、TqVVVqNJDDrDsDexp22/10不考慮鏡像力的影響時不考慮鏡像力的影響時考慮鏡像力的影響時考慮鏡像力的影響時JsD中的中的kTqVD/exp 變?yōu)樽優(yōu)閗TVqD/expJsD 1expkTqVJJsDV ,kTVqD/exp （2隧道效應的影響隧道效應的影響能量低于勢壘頂?shù)碾娮佑幸欢ǜ怕蚀┻^勢壘，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穿透的概率與電子能量和勢壘厚度有關隧道效應的簡化模型隧道效應的簡化模型對一定能量的電子，存在一個臨界勢壘厚度對一定能量的電子，存在一個臨界勢壘厚度xc,假設假設 xdxc, 則電子完全不能穿過勢壘；則電子完全不能穿過

18、勢壘；假設假設 xdxc, 則勢壘對于電子完全透明，即勢壘降低了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金屬一邊的有效勢壘高度為 -qV(x), 若若xcxdcDrDnscdrDnscxVVNqqxxNqqxqV2/103022)(隧道效應引起的勢壘降低為隧道效應引起的勢壘降低為cDrDxVVNq2/1032反向電壓較高時，勢壘的降低才明顯反向電壓較高時，勢壘的降低才明顯鏡像力和隧道效應對反向特性影響顯著鏡像力和隧道效應對反向特性影響顯著 引起引起勢壘勢壘高度的降低，使反向高度的降低，使反向電電流增加流增加 反向反向電壓電壓越大，越大，勢壘勢壘降低越降低越顯顯著，著， 反

19、向反向電電流越大流越大4.肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管的正向電流，主要是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導通電壓，的，此二極管將有較低的正向導通電壓，一般為一般為03V左右，且有更好的高頻特性。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利用金屬半導體整流接觸特性制成的二極管 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。空穴的濃度

20、在表面最大空穴的濃度在表面最大kTqVppDexp)0(0空穴電流的大小，首先決定于阻擋層中的空穴電流的大小，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。的空穴濃度就可以很高?？昭ㄗ员砻嫦騼炔繑U散。正偏時，勢壘降低，空穴自表面向內部擴散。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?？昭〝U散占優(yōu)勢，形成的電流與電子電流同向。Ec(0)Ev(0)EcEFEvN型反型層中的載流子濃度型反型層中的載流子濃度如在接觸面附近，費米能級和價帶頂?shù)木嚯x如在接觸面附近，費米能級和價帶頂?shù)木嚯xDqV)()0(FCVFEEEE那么那么 p(0) 值應和值應和 n0 值相近，值相近，n(0)也近似等于也近似等于p0 在加正向電壓時，空穴將流向半導體，但它們并不能立即復合，必然要在阻擋層內界形成一定的積累，然后再依靠擴散運動繼續(xù)進入半導體內部。(EF)mEc積累擴散少數(shù)少數(shù)載流載流子的子的積累積累這種積累的效果顯然是阻礙空穴的