第七章固態(tài)電子

第7章金屬和半導(dǎo)體的接觸7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖

7.1.1金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)金屬功函數(shù)金屬功函數(shù)隨原子序數(shù)的遞增呈現(xiàn)周期性變化7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖

7.1.1金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)關(guān)于功函數(shù)的幾點說明:①對金屬而言,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.

對半導(dǎo)體而言,功函數(shù)與摻雜有關(guān)②功函數(shù)與表面有關(guān).③功函數(shù)是一個統(tǒng)計物理量半導(dǎo)體功函數(shù)電子親和能故其中7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖

7.1.1金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)對半導(dǎo)體，電子親和能χ是固定的，功函數(shù)與摻雜有關(guān)7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖

7.1.1金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)半導(dǎo)體功函數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系（見表7-1）

?

n型半導(dǎo)體:WS=χ+(EC-EF)

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p型半導(dǎo)體:WS=χ+[Eg-(EF-EV)]7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖7.1.2接觸電勢差金屬與n型半導(dǎo)體接觸為例（Wm>Ws）接觸前7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖7.1.2接觸電勢差金屬和半導(dǎo)體間距離D遠(yuǎn)大于原子間距7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖7.1.2接觸電勢差隨著D的減小7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖7.1.2接觸電勢差若D小到可以與原子間距相比較若Wm>Ws，半導(dǎo)體表面形成正的空間電荷區(qū)，電場由體內(nèi)指向表面，Vs<0。7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖7.1.2接觸電勢差阻擋層反阻擋層7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖7.1.2接觸電勢差若Wm<Ws，半導(dǎo)體表面形成負(fù)的空間電荷區(qū)，電場由表面指向體內(nèi)，Vs>0。反阻擋層阻擋層

7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖7.1.3表面態(tài)對接觸電勢的影響實驗表明：不同金屬的功函數(shù)雖然相差很大，但與半導(dǎo)體接觸時形成的勢壘高度卻相差很小。原因：半導(dǎo)體表面存在表面態(tài)。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，表面處存在一個距離價帶頂為qФ0的能級。電子正好填滿qФ0以下所有的表面態(tài)時，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。對于大多數(shù)半導(dǎo)體，qФ0越為禁帶寬度的三分之一。

7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖7.1.3表面態(tài)對接觸電勢的影響若n型半導(dǎo)體存在表面態(tài)，費(fèi)米能級高于qФ0，表面態(tài)為受主型，表面處出現(xiàn)正的空間電荷區(qū)，形成電子勢壘。勢壘高度qVD恰好使表面態(tài)上的負(fù)電荷與勢壘區(qū)的正電荷相等。7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖7.1.3表面態(tài)對接觸電勢的影響存在表面態(tài)即使不與金屬接觸，表面也形成勢壘。當(dāng)半導(dǎo)體的表面態(tài)密度很高時，可以屏蔽金屬接觸的影響，使半導(dǎo)體內(nèi)的勢壘高度和金屬的功函數(shù)幾乎無關(guān)，有半導(dǎo)體表面性質(zhì)決定。7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖7.1.3表面態(tài)對接觸電勢的影響7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性電導(dǎo)的非對稱性（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（形成多子的接觸勢壘）7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性（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，處于動態(tài)平衡，因而沒有凈的電子流流過阻擋層。7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性（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方向相反，使勢壘高度下降，電子順利的流過降低了的勢壘。從半導(dǎo)體流向金屬的電子數(shù)超過從金屬流向半導(dǎo)體的電子數(shù)，形成從金屬流向半導(dǎo)體的正向電流。7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性（3）V<0當(dāng)電源極性接法反過來，金屬接負(fù)極，半導(dǎo)體接正極，外加電壓方向和接觸表面勢方向相同，勢壘高度上升，從半導(dǎo)體流向金屬的電子數(shù)減少，而金屬流向半導(dǎo)體的電子數(shù)占優(yōu)勢，形成從半導(dǎo)體流到金屬的反向電流。

7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性當(dāng)勢壘寬度大于電子的平均自由程，電子通過勢壘要經(jīng)過多次碰撞，這樣的阻擋層稱為厚阻擋層。針對n型阻擋層，電流J與外加電壓V的關(guān)系7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性當(dāng)V>0時，若qV>>k0T，則當(dāng)V<0時，若|qV|>>k0T，則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。7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性當(dāng)n型阻擋層很薄，電子平均自由程遠(yuǎn)大于勢壘寬度。起作用的是勢壘高度而不是勢壘寬度。電流的計算歸結(jié)為超越勢壘的載流子數(shù)目。假定，由于越過勢壘的電子數(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)。討論非簡并半導(dǎo)體的情況。7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性針對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。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。7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性隧道效應(yīng)微觀粒子要越過一個勢壘時，能量超過勢壘高度的微粒子，可以越過勢壘，而能量低于勢壘高度的粒子也有一定的概率穿過勢壘，其他的則被反射。這就是所謂微粒子的隧道效應(yīng)。結(jié)論：只有在反向電壓較高時，電子的動能較大，使有效勢壘高度下降較多，對反向電流的影響才是顯著的7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性肖特基勢壘二極管與pn結(jié)的相同點：單向?qū)щ娦?。與pn結(jié)的不同點：pn結(jié)正向電流為非平衡少子擴(kuò)散形成的電流,有顯著的電荷存儲效應(yīng)；肖特基勢壘二極管的正向電流主要是半導(dǎo)體多數(shù)載流子進(jìn)入金屬形成的，是多子器件，無積累，因此高頻特性更好；肖特基二極管JsD和JsT比pn結(jié)反向飽和電流Js大得多。因此肖特基二極管由較低的正向?qū)妷?。用途：鉗位二極管(提高電路速度)等。7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性7.2.2少數(shù)載流子的注入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，則表面濃度為加正壓時，勢壘降低，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?？昭娏鞔笮?，取決于阻擋層的空穴濃度。7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性7.2.2少數(shù)載流子的注入平衡時，如果接觸面處有此時若有外加電壓，p(0)將超過n0，則空穴電流的貢獻(xiàn)就很重要了。加正向電壓時，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。7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性7.2.2少數(shù)載流子的注入7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性7.2.2少數(shù)載流子的注入加正電壓時，勢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)動繼續(xù)進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)部。對n型阻擋層而言7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性7.2.3歐姆接觸定義不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，而且不會使半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著的變化。實現(xiàn)反阻擋層沒有整流作用，但由于常見半導(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，則勢壘寬度變得很薄，電子通過隧道效應(yīng)貫穿勢壘產(chǎn)生大隧道電流，甚至超過熱電子發(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。7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性7.2.3歐姆接觸接觸電阻：零偏壓下的微分電阻把導(dǎo)帶底Ec選作電勢能的零點，可得7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性7.2.3歐姆接觸電子的勢壘為令y=d0-x，則7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性7.2.3歐姆接觸根據(jù)量子力學(xué)中的結(jié)論，x=d0處導(dǎo)帶底電子通過隧道效應(yīng)貫穿勢壘的隧道概率為有外加電壓時，勢壘寬度為d，表面勢為[(Vs)0+V]，則隧道概率7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性7.2.3歐姆接觸隧道電流與隧道概率成正比進(jìn)而可得到7.2金屬與半導(dǎo)體接觸的電流－電壓特性7.2.3歐姆接觸例題施主濃度為7.0×10