半導(dǎo)體物理第七章

半導(dǎo)體物理第七章第一頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)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，功函數(shù)的大小顯示出金屬中電子離開(kāi)金屬表面成為自由電子的難以程度，功函數(shù)大的金屬穩(wěn)定性也較強(qiáng)。第二頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五半導(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(jí)圖

7.1.1金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)第三頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖

7.1.2接觸電勢(shì)差金屬與n型半導(dǎo)體接觸為例（Wm>Ws）接觸前第四頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖

7.1.2接觸電勢(shì)差金屬和半導(dǎo)體間距離D遠(yuǎn)大于原子間距，電勢(shì)差主要落在界面間隙中。Vms是由于接觸而產(chǎn)生的電勢(shì)差，稱為接觸電勢(shì)差。

++++++-----=WM-WS半導(dǎo)體表面出現(xiàn)空間電荷區(qū)第五頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖

7.1.2接觸電勢(shì)差隨著D的減小，電勢(shì)差同時(shí)落在兩界面間及半導(dǎo)體表面的空間電荷區(qū)內(nèi)。VS是半導(dǎo)體表面與內(nèi)部之間存在的電勢(shì)差，即為表面勢(shì)。半導(dǎo)體表面出現(xiàn)空間電荷區(qū)電場(chǎng)第六頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖

7.1.2接觸電勢(shì)差若D小到可以與原子間距相比較，電勢(shì)差全部落在半導(dǎo)體表面的空間電荷區(qū)內(nèi)。電場(chǎng)=-qVSVS<0第七頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五金屬和n型半導(dǎo)體接觸（Wm>Ws——n型阻擋層）7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖

7.1.2接觸電勢(shì)差E①空間電荷區(qū)②電場(chǎng)及表面勢(shì)③能帶情況④接觸類型電場(chǎng)VS<0第八頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖

7.1.2接觸電勢(shì)差金屬和n型半導(dǎo)體接觸（Wm<Ws——n型反阻擋層）電場(chǎng)VS>0第九頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖

7.1.2接觸電勢(shì)差金屬和p型半導(dǎo)體接觸（Ws>Wm——p型阻擋層）電場(chǎng)VS>0第十頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖

7.1.2接觸電勢(shì)差金屬和p型半導(dǎo)體接觸（Wm>Ws——p型反阻擋層）電場(chǎng)VS<0第十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖

7.1.3表面態(tài)對(duì)接觸電勢(shì)的影響從前面的推導(dǎo)可以看出，金屬一側(cè)的勢(shì)壘高度應(yīng)當(dāng)隨不同金屬而變化實(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(shì)壘高度卻相差很小。原因：半導(dǎo)體表面存在表面態(tài)。第十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五表面態(tài)分為施主型和受主型。表面能級(jí)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)靠近價(jià)帶頂?shù)腅FS0能級(jí)。電子正好填滿EFS0以下所有的表面態(tài)時(shí)，表面呈電中性，若EFS0以下表面態(tài)為空，表面帶正電，呈現(xiàn)施主型；EFS0以上表面態(tài)被電子填充，表面帶負(fù)電，呈現(xiàn)受主型。對(duì)于大多數(shù)半導(dǎo)體，EFS0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(jí)圖

7.1.3表面態(tài)對(duì)接觸電勢(shì)的影響第十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五若n型半導(dǎo)體存在表面態(tài)，費(fèi)米能級(jí)高于EFS0

，表面態(tài)為受主型帶負(fù)電，表面處須出現(xiàn)正的空間電荷區(qū)與之對(duì)于，形成電子勢(shì)壘。當(dāng)表面態(tài)密度較大時(shí)，表面處費(fèi)米能級(jí)很接近EFS0，勢(shì)壘高度qVD恰好使表面態(tài)上的負(fù)電荷與勢(shì)壘區(qū)的正電荷相等。

7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖

7.1.3表面態(tài)對(duì)接觸電勢(shì)的影響第十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五存在表面態(tài)時(shí)，當(dāng)與金屬接觸（仍假設(shè)金屬功函數(shù)大的情況），電子會(huì)由半導(dǎo)體流向金屬，但電子不是來(lái)自半導(dǎo)體體內(nèi)，而是由受主型表面態(tài)供給。若表面態(tài)積累的負(fù)電荷足夠多時(shí)，平衡時(shí)，半導(dǎo)體表面的正電荷等于表面態(tài)上剩余的負(fù)電荷與金屬表面負(fù)電荷之和，半導(dǎo)體表面勢(shì)壘高度幾乎不變。因此，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(shì)壘高度和金屬的功函數(shù)幾乎無(wú)關(guān)，而由半導(dǎo)體表面性質(zhì)決定。

7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖

7.1.3表面態(tài)對(duì)接觸電勢(shì)的影響第十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.2金屬半導(dǎo)體接觸整流理論

7.2.1金屬半導(dǎo)體接觸整流特性電導(dǎo)的非對(duì)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：金屬-半導(dǎo)體接觸時(shí)，必須形成半導(dǎo)體表面的阻擋層（形成多子的勢(shì)壘）第十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.2金屬半導(dǎo)體接觸整流理論

7.2.1金屬半導(dǎo)體接觸整流特性（1）V=0半導(dǎo)體接觸表面能帶向上彎，形成n型阻擋層，阻擋層由電離施主組成，載流子濃度較低。當(dāng)阻擋層無(wú)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(dòng)態(tài)平衡，因而沒(méi)有凈的電子流流過(guò)阻擋層。內(nèi)電場(chǎng)方向第十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.2金屬半導(dǎo)體接觸整流理論

7.2.1金屬半導(dǎo)體接觸整流特性（2）V>0若金屬接電源正極，n型半導(dǎo)體接電源負(fù)極，則外加電壓主要降落在阻擋層上，外電壓方向由金屬指向半導(dǎo)體，外加電壓方向和接觸表面勢(shì)方向(半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng))相反，使勢(shì)壘高度下降，電子順利的流過(guò)降低了的勢(shì)壘。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。第十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.2金屬半導(dǎo)體接觸整流理論

7.2.1金屬半導(dǎo)體接觸整流特性內(nèi)電場(chǎng)方向外電場(chǎng)方向第十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.2金屬半導(dǎo)體接觸整流理論

7.2.1金屬半導(dǎo)體接觸整流特性（3）V<0當(dāng)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(shì)方向（空間電荷區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)）相同，勢(shì)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(shì)，形成從半導(dǎo)體流到金屬的反向電流。金屬中的電子要越過(guò)相當(dāng)高的勢(shì)壘才能到達(dá)半導(dǎo)體，因此反向電流是很小的。由于金屬一側(cè)的勢(shì)壘不隨外加電壓變化，從金屬到半導(dǎo)體的電子流是恒定的，所以當(dāng)反向電壓增大時(shí)，反向電流將趨于飽和。

注意：正向電流都是相應(yīng)于多子由半導(dǎo)體到金屬形成的電流。

第二十頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.2金屬半導(dǎo)體接觸整流理論

7.2.1金屬半導(dǎo)體接觸整流特性內(nèi)電場(chǎng)方向外電場(chǎng)方向第二十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.2金屬半導(dǎo)體接觸整流理論

7.2.2金屬半導(dǎo)體整流接觸電流電壓方程⑴擴(kuò)散理論當(dāng)勢(shì)壘寬度大于電子的平均自由程，電子通過(guò)勢(shì)壘要經(jīng)過(guò)多次碰撞，這樣的阻擋層稱為厚阻擋層。針對(duì)n型阻擋層，電流J與外加電壓V的關(guān)系第二十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.2金屬半導(dǎo)體接觸整流理論

7.2.2金屬半導(dǎo)體整流接觸電流電壓方程當(dāng)V>0時(shí)，若qV>>k0T，則當(dāng)V<0時(shí)，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。第二十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.2金屬半導(dǎo)體接觸整流理論

7.2.2金屬半導(dǎo)體整流接觸電流電壓方程⑵熱電子發(fā)射理論當(dāng)n型阻擋層很薄，電子平均自由程遠(yuǎn)大于勢(shì)壘寬度。起作用的是勢(shì)壘高度而不是勢(shì)壘寬度，電流的計(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(jiǎn)并半導(dǎo)體的情況。第二十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.2金屬半導(dǎo)體接觸整流理論

7.2.2金屬半導(dǎo)體整流接觸電流電壓方程針對(duì)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。第二十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五兩種理論結(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——正向電壓，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JSD與外加電壓有關(guān)；JST與外加電壓無(wú)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金屬半導(dǎo)體接觸整流理論

7.2.2金屬半導(dǎo)體整流接觸電流電壓方程第二十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.2金屬半導(dǎo)體接觸整流理論

7.2.3肖特基勢(shì)壘二極管

肖特基勢(shì)壘二極管——利用金屬-半導(dǎo)體整流接觸特性制成的二極管。與pn結(jié)的相同點(diǎn)：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦?。與pn結(jié)的不同點(diǎn)：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(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)載流子進(jìn)入金屬形成的，是多子器件，無(wú)積累，因此高頻特性更好；肖特基二極管JsD和JsT比pn結(jié)反向飽和電流Js大得多，因此對(duì)于同樣的使用電流，肖特基二極管有較低的正向?qū)妷?。第二十七?yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.3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(shì)壘區(qū)，空穴的濃度在表面處最大。體內(nèi)空穴濃度為p0，則表面濃度為第二十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五平衡時(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。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，空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)，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?？昭娏鞔笮?，取決于阻擋層的空穴濃度和空穴進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)擴(kuò)散的效率。7.3少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸

7.3.1少數(shù)載流子的注入第二十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五平衡時(shí)，如果接觸面處有此時(shí)若有外加電壓，空穴電流的貢獻(xiàn)就很重要了。7.3少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸

7.3.1少數(shù)載流子的注入第三十頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五加正電壓時(shí)，勢(shì)壘兩邊界處的電子濃度將保持平衡值，而空穴先在阻擋層內(nèi)界形成積累，然后再依靠擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)部。7.3少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸

7.3.1少數(shù)載流子的注入第三十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.3少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸

7.3.1少數(shù)載流子的注入綜上，在金屬和n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)象稱為少數(shù)載流子的注入。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。對(duì)n型阻擋層而言第三十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五7.3少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸

7.3.2歐姆接觸歐姆接觸金屬與半導(dǎo)體形成的非整流接觸，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)部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著的變化。實(shí)現(xiàn)反阻擋層沒(méi)有整流作用，但由于常見(jiàn)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(lái)獲得歐姆接觸。

第三十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五重?fù)诫s的半導(dǎo)體與金屬接觸時(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