半導(dǎo)體物理(第七章)

1、第第7 7章章 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸7.1 7.1 金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖 真空中靜止電子的能量。表示電子跑出材料外真空中靜止電子的能量。表示電子跑出材料外進(jìn)入真空中所必須具有的進(jìn)入真空中所必須具有的最低能量。最低能量。它對(duì)所有的它對(duì)所有的材料都是相同的。材料都是相同的。(一一) 真空能級(jí)真空能級(jí)E0 指將一個(gè)電子從指將一個(gè)電子從費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移到真空能級(jí)真空能級(jí)所需所需的能量。其大小標(biāo)志著的能量。其大小標(biāo)志著束縛電子的強(qiáng)弱，束縛電子的強(qiáng)弱，功函數(shù)功函數(shù)越大，電子越不容易離開材料。越大，電子越不容易離開材料。(二二) 功函數(shù)功函數(shù)l金屬功函數(shù)

2、金屬功函數(shù) (表示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)表示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需的最小能的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需的最小能量。量。)mFmEEW)(0金屬中的電子勢(shì)阱金屬中的電子勢(shì)阱金屬中金屬中的電子雖然能在金屬的電子雖然能在金屬中自由中自由運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)，但但絕大多數(shù)所處絕大多數(shù)所處的能級(jí)都低于體外能級(jí)的能級(jí)都低于體外能級(jí)。要使電子從金屬中逸出要使電子從金屬中逸出，必須必須由由外界給它以足夠的能量外界給它以足夠的能量。所以，所以，金屬金屬內(nèi)部的電內(nèi)部的電子是在子是在一個(gè)一個(gè)勢(shì)阱勢(shì)阱中中運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。 金屬功函數(shù)隨金屬功函數(shù)隨原子序數(shù)的遞增原子序數(shù)的遞增呈現(xiàn)周期性變化

3、，功呈現(xiàn)周期性變化，功函數(shù)的大小顯示出金屬中電子離開金屬表面成為自由函數(shù)的大小顯示出金屬中電子離開金屬表面成為自由電子的難以程度，電子的難以程度，功函數(shù)大的金屬穩(wěn)定性也較強(qiáng)。功函數(shù)大的金屬穩(wěn)定性也較強(qiáng)。關(guān)于功函數(shù)的幾點(diǎn)說(shuō)明關(guān)于功函數(shù)的幾點(diǎn)說(shuō)明: 功函數(shù)與表面有關(guān)功函數(shù)與表面有關(guān). 功函數(shù)是一個(gè)統(tǒng)計(jì)物理量功函數(shù)是一個(gè)統(tǒng)計(jì)物理量 對(duì)金屬而言對(duì)金屬而言, 功函數(shù)功函數(shù)Wm可看作是固定的可看作是固定的. 功函功函 數(shù)數(shù)Wm標(biāo)志了電子在金屬中被束縛的程度標(biāo)志了電子在金屬中被束縛的程度. 對(duì)半導(dǎo)體而言對(duì)半導(dǎo)體而言, 功函數(shù)與摻雜有關(guān)功函數(shù)與摻雜有關(guān).l半導(dǎo)體功函數(shù)半導(dǎo)體功函數(shù)0sFsWEEcEE 0nsF

4、csEEEW)()ncFsEEE7.1.1 7.1.1 金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù) 其中其中故故對(duì)半導(dǎo)體，電子對(duì)半導(dǎo)體，電子親和能親和能是固定是固定的，功函數(shù)與摻的，功函數(shù)與摻雜有關(guān)。雜有關(guān)。電子親和能電子親和能 （指將一個(gè)電子從（指將一個(gè)電子從導(dǎo)帶導(dǎo)帶底底轉(zhuǎn)移到真空能級(jí)所需的能量。它因轉(zhuǎn)移到真空能級(jí)所需的能量。它因材料的種類而異，決定于材料的種類而異，決定于材料本身的材料本身的性質(zhì)，性質(zhì)，和其它外界因素?zé)o關(guān)）和其它外界因素?zé)o關(guān)）7.1.2 7.1.2 接觸電勢(shì)差接觸電勢(shì)差 金屬與金屬與n n型半導(dǎo)體接觸為例（假設(shè)型半導(dǎo)體接觸為例（假設(shè)WmWsWmWs）, ,假假設(shè)有共同的真空靜

5、止電子能級(jí)。設(shè)有共同的真空靜止電子能級(jí)。l接觸前接觸前mFsFEE)()(接觸前：l金屬和半導(dǎo)體間金屬和半導(dǎo)體間距離距離D D遠(yuǎn)大于原子間距，遠(yuǎn)大于原子間距，電勢(shì)電勢(shì)差主要落在界面間隙中。差主要落在界面間隙中。l +- - - - - =W=WM M-W-WS S半導(dǎo)體表面出半導(dǎo)體表面出現(xiàn)空間電荷區(qū)現(xiàn)空間電荷區(qū) 金屬電勢(shì)降低，半導(dǎo)體電勢(shì)升金屬電勢(shì)降低，半導(dǎo)體電勢(shì)升高，最終達(dá)到平衡狀態(tài)，具有統(tǒng)高，最終達(dá)到平衡狀態(tài)，具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。一的費(fèi)米能級(jí)。l隨著隨著D D的減小，電勢(shì)差同時(shí)落在兩界面間的減小，電勢(shì)差同時(shí)落在兩界面間及半導(dǎo)體表面的及半導(dǎo)體表面的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)。內(nèi)。smsmsVVqW

6、WV VS S是半導(dǎo)體表面與內(nèi)部之間存是半導(dǎo)體表面與內(nèi)部之間存在的電勢(shì)差，即為在的電勢(shì)差，即為表面勢(shì)。表面勢(shì)。半導(dǎo)體表面半導(dǎo)體表面出現(xiàn)空間電出現(xiàn)空間電荷區(qū)荷區(qū)電場(chǎng)電場(chǎng) 隨著距離減小，金屬一側(cè)半隨著距離減小，金屬一側(cè)半導(dǎo)體表面正電荷密度增加，由導(dǎo)體表面正電荷密度增加，由于半導(dǎo)體中自由電荷密度的限于半導(dǎo)體中自由電荷密度的限制，這些正電荷分布在半導(dǎo)體制，這些正電荷分布在半導(dǎo)體表面相當(dāng)厚的一層表面層內(nèi)，表面相當(dāng)厚的一層表面層內(nèi)，即即空間電荷區(qū)。空間電荷區(qū)。l若若D D小到可以與原子間距相比較，電勢(shì)差小到可以與原子間距相比較，電勢(shì)差全部落在半全部落在半導(dǎo)體表面的空間電荷區(qū)內(nèi)。導(dǎo)體表面的空間電荷區(qū)內(nèi)。Ds

7、msVVqWW電場(chǎng)電場(chǎng)V VS S00 在半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷區(qū)，其中電場(chǎng)方在半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷區(qū)，其中電場(chǎng)方向由體內(nèi)指向表面，向由體內(nèi)指向表面，Vs0V0 若金屬接電源正極，若金屬接電源正極，n n型半導(dǎo)體接電源負(fù)極，型半導(dǎo)體接電源負(fù)極，則外加電壓主要降落在則外加電壓主要降落在阻擋層阻擋層上，外電壓方向上，外電壓方向由金屬指向半導(dǎo)體，由金屬指向半導(dǎo)體，外加電壓方向和接觸表面外加電壓方向和接觸表面勢(shì)方向勢(shì)方向( (半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)) )相反，相反，使勢(shì)壘高度下降，電子順利的流過(guò)降低了的勢(shì)使勢(shì)壘高度下降，電子順利的流過(guò)降低了的勢(shì)壘。壘。從

8、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。的電子數(shù)，形成從金屬流向半導(dǎo)體的正向電流。內(nèi)電場(chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向外電場(chǎng)方向外電場(chǎng)方向l（3 3）V0V0V0時(shí)，若時(shí)，若qVqVkk0 0T T，則，則l當(dāng)當(dāng)V0Vk|k0 0T T，則，則)exp(0TkqVJJsDsDJJ 該理論是用于遷移率較小，平均自由程較短的半該理論是用于遷移率較小，平均自由程較短的半導(dǎo)體，如氧化亞銅。導(dǎo)體，如氧化亞銅。l熱電子發(fā)射理論熱電子發(fā)射理論l當(dāng)當(dāng)n n型阻擋層很薄，電子平均自由程遠(yuǎn)大于勢(shì)壘型阻擋層很薄，電子平均自由程遠(yuǎn)大于勢(shì)壘寬度。寬

9、度。起作用的是勢(shì)壘高度而不是勢(shì)壘寬度，起作用的是勢(shì)壘高度而不是勢(shì)壘寬度，電電流的計(jì)算歸結(jié)為超越勢(shì)壘的載流子數(shù)目。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，故數(shù)很少一部分，故半導(dǎo)體內(nèi)的電子濃度可以視為半導(dǎo)體內(nèi)的電子濃度可以視為常數(shù)，常數(shù)，而與電流無(wú)關(guān)。而與電流無(wú)關(guān)。討論非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的情況。討論非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的情況。l針對(duì)針對(duì)n n型半導(dǎo)體，電流密度型半導(dǎo)體，電流密度*20exp()nssTqJA Tk T0exp() 1sTqVJJk T其中理查遜常數(shù)其中理查遜常數(shù)320*4hkqmAn GeGe、SiSi

10、、GaAsGaAs有較高的載流子遷移率，有較大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。熱電子發(fā)射。l兩種理論結(jié)果表示的阻擋層電流與外加電壓變兩種理論結(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)稱性化關(guān)系基本一致，體現(xiàn)了電導(dǎo)非對(duì)稱性正正向電壓，電流隨電壓指數(shù)增加；反向電壓，電向電壓，電流隨電壓指數(shù)增加；反向電壓，電流基本不隨外加電壓而變化流基本不隨外加電壓而變化lJ JSDSD與外加電壓有關(guān)；與外加電壓有關(guān)；J JSTST與外加電壓無(wú)關(guān)，強(qiáng)烈與外加電壓無(wú)關(guān)，強(qiáng)烈 依賴溫度依賴溫度T T。當(dāng)溫

11、度一定，。當(dāng)溫度一定，J JSTST隨反向電壓增加隨反向電壓增加 處于飽和狀態(tài)，稱之為處于飽和狀態(tài)，稱之為反向飽和電流。反向飽和電流。l隧道效應(yīng)的影響隧道效應(yīng)的影響 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。這就是所謂反射。這就是所謂微粒子的隧道效應(yīng)。微粒子的隧道效應(yīng)。 結(jié)論：結(jié)論：只有在反向電壓較高時(shí)，電子的動(dòng)能較大，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)

12、反向電流的影使有效勢(shì)壘高度下降較多，對(duì)反向電流的影 響才是顯著的。響才是顯著的。7.2.3 7.2.3 肖特基勢(shì)壘二極管肖特基勢(shì)壘二極管 肖特基勢(shì)壘二極管肖特基勢(shì)壘二極管利用金屬利用金屬- -半導(dǎo)體整流接觸特性制成半導(dǎo)體整流接觸特性制成的二極管。的二極管。與與pnpn結(jié)的相同點(diǎn)結(jié)的相同點(diǎn)： 單向?qū)щ娦?。單向?qū)щ娦浴Ｅc與pnpn結(jié)的不同點(diǎn)結(jié)的不同點(diǎn)： pnpn結(jié)正向電流為結(jié)正向電流為非平衡少子非平衡少子擴(kuò)散形成的電流擴(kuò)散形成的電流, ,有顯著的電荷有顯著的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)；肖特基勢(shì)壘二極管的正向電流主要是半導(dǎo)體存儲(chǔ)效應(yīng)；肖特基勢(shì)壘二極管的正向電流主要是半導(dǎo)體多數(shù)多數(shù)載流子載流子進(jìn)入金屬形成的，是多子

13、器件，無(wú)積累，因此高頻特進(jìn)入金屬形成的，是多子器件，無(wú)積累，因此高頻特性更好。性更好。 肖特基二極管肖特基二極管JsDJsD和和JsTJsT比比pnpn結(jié)反向飽和電流結(jié)反向飽和電流JsJs大得多，大得多，因此對(duì)于同樣的使用電流，肖特基二極管有因此對(duì)于同樣的使用電流，肖特基二極管有較低的正向?qū)ㄝ^低的正向?qū)妷骸ｋ妷?。ln n型阻擋層，體內(nèi)電子濃度為型阻擋層，體內(nèi)電子濃度為n n0 0，接觸面處的電子濃度是，接觸面處的電子濃度是)exp()0(00TkqVnnD)exp()0(00TkqVppDl電子的阻擋層就是電子的阻擋層就是空穴積累層?？昭ǚe累層。在勢(shì)壘區(qū)，空穴的濃度在表面處在勢(shì)壘區(qū)，空穴

14、的濃度在表面處最大。體內(nèi)空穴濃度為最大。體內(nèi)空穴濃度為p p0 0，則表面，則表面濃度為濃度為7.3 7.3 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸7.3.1 7.3.1 少數(shù)載流子的注入少數(shù)載流子的注入l平衡時(shí)，空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和由于內(nèi)電場(chǎng)產(chǎn)生的漂平衡時(shí)，空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和由于內(nèi)電場(chǎng)產(chǎn)生的漂移運(yùn)動(dòng)相等，凈電流為零。移運(yùn)動(dòng)相等，凈電流為零。 加正壓時(shí)，勢(shì)壘降低，除了前面所提到的電子形加正壓時(shí)，勢(shì)壘降低，除了前面所提到的電子形成的電子流以外，成的電子流以外，空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)，空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)，形成自金形成自金屬向半導(dǎo)體內(nèi)部的空穴流，形成的電流與電子電流屬向半導(dǎo)體內(nèi)部的空穴流，形成的

15、電流與電子電流方向一致，因此總的正向電流包含電子流和少數(shù)載方向一致，因此總的正向電流包含電子流和少數(shù)載流子空穴流。流子空穴流。 空穴電流大小，取決于阻擋層的空穴電流大小，取決于阻擋層的空穴濃度和空穴空穴濃度和空穴進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)擴(kuò)散的效率。進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)擴(kuò)散的效率。l平衡時(shí)，如果接觸面處有平衡時(shí)，如果接觸面處有)()0(FcvFEEEE此時(shí)若有外加電壓，空穴電流的貢此時(shí)若有外加電壓，空穴電流的貢獻(xiàn)就很重要了。獻(xiàn)就很重要了。 勢(shì)壘中空穴和電子所處的勢(shì)壘中空穴和電子所處的情況幾乎完全相同，只是空情況幾乎完全相同，只是空穴的勢(shì)壘頂在阻擋層的內(nèi)邊穴的勢(shì)壘頂在阻擋層的內(nèi)邊界。界。l加正電壓時(shí)，勢(shì)壘兩加正電壓時(shí)

16、，勢(shì)壘兩邊界處的電子濃度將邊界處的電子濃度將保持平衡值，而空穴保持平衡值，而空穴先在阻擋層內(nèi)界形成先在阻擋層內(nèi)界形成積累，然后再依靠擴(kuò)積累，然后再依靠擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)進(jìn)入半導(dǎo)散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)部。體內(nèi)部。l綜上，在金屬和綜上，在金屬和n n型半導(dǎo)體的整流接觸上加正向型半導(dǎo)體的整流接觸上加正向電壓時(shí)，就有空穴從金屬流向半導(dǎo)體，這種現(xiàn)象電壓時(shí)，就有空穴從金屬流向半導(dǎo)體，這種現(xiàn)象稱為稱為少數(shù)載流子的注入少數(shù)載流子的注入。2*20/()expiPPpPPnnPnSDqnJDJJJJJJLqN A Tk Tl加正向電壓時(shí)，少數(shù)載流子電流與總電流值比稱為加正向電壓時(shí)，少數(shù)載流子電流與總電流值比稱為 少數(shù)載

17、流子的注入比，用少數(shù)載流子的注入比，用表示。對(duì)表示。對(duì)n n型阻擋層而言型阻擋層而言. .7.3.2 7.3.2 歐姆接觸歐姆接觸l金屬與半導(dǎo)體形成的金屬與半導(dǎo)體形成的非整流接觸，非整流接觸，這種接觸不這種接觸不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，而且不會(huì)使半導(dǎo)體內(nèi)部產(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。的平衡載流子濃度發(fā)生顯著的變化。理想歐姆理想歐姆接觸的接觸電阻接觸的接觸電阻與半導(dǎo)體樣品或器件相比應(yīng)當(dāng)與半導(dǎo)體樣品或器件相比應(yīng)當(dāng)很小。很小。實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn) 反阻擋層沒(méi)有整流作用，選用合適的金屬反阻擋層沒(méi)有整流作用，選用合適的金屬材料，可能得到歐姆接觸。材料，可能得到歐姆接觸。但由于

18、常見半導(dǎo)體但由于常見半導(dǎo)體材料一般都有很高的表面態(tài)密度，材料一般都有很高的表面態(tài)密度，因此很難用因此很難用選擇金屬材料的辦法來(lái)獲得歐姆接觸。選擇金屬材料的辦法來(lái)獲得歐姆接觸。 l重?fù)诫s的半導(dǎo)體重?fù)诫s的半導(dǎo)體與金屬接觸時(shí)，則勢(shì)壘寬度變得與金屬接觸時(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)射電流而成為電流的主要流，甚至超過(guò)熱電子發(fā)射電流而成為電流的主要成分，即可形成接近理想的歐姆接觸。成分，即可形成接近理想的歐姆接觸。 常常是在常常是在n型或型或p型半導(dǎo)體上制作一層重?fù)诫s區(qū)域型半導(dǎo)體上制作一層重?fù)诫s區(qū)域后再與金屬接觸，形成金屬后再與金屬接觸，形成金屬-n 或金屬或金屬-p型結(jié)構(gòu)。型結(jié)構(gòu)。+ 目前，實(shí)際生產(chǎn)中，主要利用目前，實(shí)際生產(chǎn)中，主要利用隧道效應(yīng)的原理隧道效應(yīng)的原理在半導(dǎo)在半導(dǎo)體上制造歐姆接觸。體上制造歐姆接觸。l接觸電阻：零偏壓下的微分電阻接觸電阻：零偏壓下的微分電阻l把導(dǎo)帶底把導(dǎo)帶底E Ec c選作電勢(shì)能的零點(diǎn)，可得選作電勢(shì)能的零點(diǎn)，可得l電子勢(shì)壘電子勢(shì)壘l令令y=d0-xy=d0-x，則，則10)(VcVIR200)(2)(dxqNxVrD200