半導(dǎo)體第七章金屬和半導(dǎo)體接觸

半導(dǎo)體第七章金屬和半導(dǎo)體接觸第一頁，共52頁。本章內(nèi)容金屬和半導(dǎo)體接觸（4學(xué)時(shí)）金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖；少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸。重點(diǎn)：金屬和半導(dǎo)體之間接觸的能帶圖，少數(shù)載流子的注入過程和形成歐姆接觸的必要條件。第二頁，共52頁。7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖金屬功函數(shù)7.1.1金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)金屬中的電子雖然能在金屬中自由運(yùn)動，但絕大多數(shù)所處的能級都低于體外能級。第三頁，共52頁。金屬功函數(shù)隨原子序數(shù)的遞增呈現(xiàn)周期性變化第四頁，共52頁。關(guān)于功函數(shù)的幾點(diǎn)說明: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)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。第五頁，共52頁。半導(dǎo)體的功函數(shù)WsE0與費(fèi)米能級之差稱為半導(dǎo)體的功函數(shù)。Ec(EF)sEvE0χWsχ表示從Ec到E0的能量間隔：稱χ為電子的親和能，它表示要使半導(dǎo)體導(dǎo)帶底的電子逸出體外所需要的最小能量。EnEp第六頁，共52頁。故其中對半導(dǎo)體，電子親和能χ是固定的，功函數(shù)與摻雜有關(guān)第七頁，共52頁。半導(dǎo)體功函數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系

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n型半導(dǎo)體:

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p型半導(dǎo)體:第八頁，共52頁。7.1.2接觸電勢差設(shè)想有一塊金屬和一塊n型半導(dǎo)體，并假定金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)，即：接觸前：Ec(EF)sEvE0χWsEnWm(EF)m第九頁，共52頁。金屬和半導(dǎo)體間距離D遠(yuǎn)大于原子間距由于Wm>Ws，即EFm<EFN

半導(dǎo)體中電子能量較大—易進(jìn)入金屬—金屬帶負(fù)電—半導(dǎo)體帶正電（施主離子）—形成空間電荷區(qū)（類似P-N結(jié)）—能帶將彎曲—形成勢壘—接觸電位差—到平衡—費(fèi)米能級統(tǒng)一第十頁，共52頁。隨著D的減小靠近半導(dǎo)體一側(cè)的金屬表面負(fù)電荷密度增加，同時(shí)靠近金屬一側(cè)的半導(dǎo)體表面的正電荷密度也隨之增加。由于半導(dǎo)體中自由電荷密度的限制，正電荷分布在一層相當(dāng)厚的表面層內(nèi)，即空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)內(nèi)存在一定電場，造成能帶彎曲。半導(dǎo)體表面和內(nèi)部之間存在電勢差VS，稱為表面勢。第十一頁，共52頁。若D小到可以與原子間距相比較忽略間隙中電勢差的極限情況電子可自由穿過間隙，這時(shí)Vms很小，接觸電勢差大部分降落在空間電荷區(qū)。半導(dǎo)體一側(cè)電子的勢壘高度（接觸勢壘）金屬一側(cè)電子的勢壘高度第十二頁，共52頁。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，形成表面勢壘（阻擋層）。EnEcEv(EF)sqVDqΦnsWmχ能帶向上彎曲，形成表面勢壘。勢壘區(qū)電子濃度比體內(nèi)小得多→高阻區(qū)(阻擋層)。第十三頁，共52頁。若Wm<Ws，電子從金屬流向半導(dǎo)體，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。形成高電導(dǎo)區(qū)（反阻擋層）。能帶向下彎曲。這里電子濃度比體內(nèi)大得多，因而是一個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，稱之為反阻擋層。EnEcEv(EF)sqVDX-Wm第十四頁，共52頁。金屬與p型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若Wm<Ws，形成空穴的表面勢壘。在勢壘區(qū)，空間電荷主要由電離受主形成，空穴濃度比體內(nèi)小得多，也是一個(gè)高阻區(qū)域，形成P型阻擋層。第十五頁，共52頁。金屬與p型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若Wm>Ws，能帶向上彎曲，形成P型反阻擋層。第十六頁，共52頁。n型p型Wm>Ws阻擋層反阻擋層Wm<Ws反阻擋層阻擋層上述金半接觸模型即為Schottky模型：第十七頁，共52頁。

7.1.3表面態(tài)對接觸電勢的影響實(shí)驗(yàn)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(shí)形成的勢壘高度卻相差很小。半導(dǎo)體金屬功函數(shù)m(V)n-GaAsAuAlPt4.84.255.360.950.800.94說明金屬的功函數(shù)對勢壘高度的影響并不顯著。原因：半導(dǎo)體表面存在表面態(tài)。第十八頁，共52頁。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(gè)距離價(jià)帶頂為qФ0的能級。電子正好填滿qФ0以下所有的表面態(tài)時(shí)，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約為禁帶寬度的三分之一。巴?。˙ardeen）提出應(yīng)該考慮到半導(dǎo)體表面存在密度相當(dāng)大的表面態(tài)。如果認(rèn)為在金屬和半導(dǎo)體之間存在原子線度的間隙，表面態(tài)中的電荷可通過在間隙中產(chǎn)生的電勢差對勢壘高度起到鉗制作用。第十九頁，共52頁。若n型半導(dǎo)體存在表面態(tài)，費(fèi)米能級高于qФ0，如果qФ0以上存在有受主型表面態(tài)，在EF與qФ0之間的能級將被電子填滿，表面帶負(fù)電。表面附近出現(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。第二十頁，共52頁。若表面態(tài)密度很大，只要EF比qФ0高一點(diǎn)，表面態(tài)上就會積累很多負(fù)電荷。由于能帶上彎，表面處EF很接近qФ0，勢壘高度就等于原費(fèi)米能級與qФ0之差，稱為被高表面態(tài)密度釘扎。第二十一頁，共52頁。流向金屬的電子由受主表面提供。由于表面態(tài)密度很高，半導(dǎo)體勢壘區(qū)的情形基本不變。平衡后，半導(dǎo)體EF相對金屬EF下降了（Wm-Ws)?？臻g電荷區(qū)的正電荷等于表面受主態(tài)留下的負(fù)電荷與金屬表面負(fù)電荷之和。第二十二頁，共52頁。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(shí)，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)，由半導(dǎo)體表面性質(zhì)決定。由于表面態(tài)密度的不同，緊密接觸時(shí)，接觸電勢差將有部分降落在半導(dǎo)體內(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。（所以當(dāng)Wm〈Ws時(shí)，也可能形成n型阻擋層）第二十三頁，共52頁。7.2金屬半導(dǎo)體接觸整流理論電導(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）7.2.1整流特性第二十四頁，共52頁。（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。第二十五頁，共52頁。（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。第二十六頁，共52頁。（3）V<0當(dāng)電源極性接法反過來，外加電壓方向和接觸表面勢方向相同，勢壘高度上升，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。由于金屬中的電子要越過相當(dāng)高的勢壘qФns才能達(dá)到半導(dǎo)體，因此反向電流很小。

第二十七頁，共52頁。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。擴(kuò)散理論適用于厚阻擋層。計(jì)算通過勢壘的電流時(shí)，必須同時(shí)考慮漂移和擴(kuò)散運(yùn)動。勢壘區(qū)的電勢分布是比較復(fù)雜的,當(dāng)勢壘高度遠(yuǎn)大于k0T時(shí)，勢壘區(qū)可近似為一個(gè)耗盡層。理論解釋

①擴(kuò)散理論第二十八頁，共52頁。根據(jù)邊界條件：半導(dǎo)體內(nèi)部電場為零；以金屬費(fèi)米能級除以-q為電勢零點(diǎn)，可得第二十九頁，共52頁。第三十頁，共52頁。當(dāng)V>0時(shí)，若qV>>k0T，則當(dāng)V<0時(shí)，若|qV|>>k0T，則該理論適用于遷移率較小，平均自由程較短的半導(dǎo)體，如氧化亞銅。第三十一頁，共52頁。第三十二頁，共52頁。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(jì)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。

②熱電子發(fā)射理論第三十三頁，共52頁。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。第三十四頁，共52頁。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。第三十五頁，共52頁。

③鏡像力和隧道效應(yīng)的影響第三十六頁，共52頁。

鏡像力的影響第三十七頁，共52頁。隧道效應(yīng)

微觀粒子要越過一個(gè)勢壘時(shí)，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)。

第三十八頁，共52頁。

隧道效應(yīng)的影響結(jié)論：只有在反向電壓較高時(shí)，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。第三十九頁，共52頁。肖特基勢壘二極管與p-n結(jié)的相同點(diǎn)：單向?qū)щ娦浴Ｅcp-n結(jié)的不同點(diǎn)：（1）多數(shù)載流子器件和少數(shù)載流子器件（2）無電荷存貯效應(yīng)和有電荷存貯效應(yīng)（3）高頻特性好。（4）正向?qū)妷盒　５谒氖摚?2頁。肖特基二極管JsD和JsT比p-n結(jié)反向飽和電流Js大得多。即肖特基二極管有較低的正向?qū)妷?。用途：鉗位二極管(提高電路速度)等。第四十一頁，共52頁。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7.3少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸7.3.1少數(shù)載流子的注入第四十二頁，共52頁。加正壓時(shí)，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。空穴電流大小，取決于阻擋層的空穴濃度。第四十三頁，共52頁。平衡時(shí)，如果接觸面處有此時(shí)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(shí)，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。第四十四頁，共52頁。加正電壓時(shí)，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型阻擋層而言第四十五頁，共52頁。7.2.2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。當(dāng)有電流經(jīng)過時(shí)，歐姆接觸上的電壓降應(yīng)遠(yuǎn)小于樣品或者器件本身的壓降，即電流-電壓特性是由樣品的電阻或者器件的特性決定的。第四十六頁，共52頁。實(shí)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(shí)，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