半導(dǎo)體物理經(jīng)典課件第八章金屬半導(dǎo)體接觸

半導(dǎo)體物理經(jīng)典課件第八章金屬半導(dǎo)體接觸第一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五上式表示一個(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要的最小值。金屬中的電子勢(shì)阱EFWm

越大,金屬對(duì)電子的束縛越強(qiáng)第二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五在半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶底EC

和價(jià)帶頂EV一般都比E0

低幾個(gè)電子伏特。半導(dǎo)體功函數(shù)的定義:真空中靜止電子的能量E0

與半導(dǎo)體的EF

能量之差，即Ws

與雜質(zhì)濃度有關(guān)E0ECEFEVWs電子的親合能第三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.接觸電勢(shì)差EvWs(a)接觸前半導(dǎo)體的功函數(shù)又寫為第四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五D（b）間隙很大(D>原子間距)金屬表面負(fù)電半導(dǎo)體表面正電Vm:

金屬的電勢(shì)Vs:半導(dǎo)體的電勢(shì)第五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五平衡時(shí),

無電子的凈流動(dòng).相對(duì)于(EF)m,半導(dǎo)體的(EF)s下降了接觸電勢(shì)差:金屬和半導(dǎo)體接觸而產(chǎn)生的電勢(shì)差Vms.第六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五（c）緊密接觸半導(dǎo)體表面有空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)有電場(chǎng)電場(chǎng)造成能帶彎曲E+_因表面勢(shì)Vs<0能帶向上彎曲qVD第七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五接觸電勢(shì)差一部分降落在空間電荷區(qū),另一部分降落在金屬和半導(dǎo)體表面之間若D原子間距,電子可自由穿過間隙,Vms0,則接觸電勢(shì)差大部分降落在空間電荷區(qū)第八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五（d）忽略間隙qVD第九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度金屬一邊的勢(shì)壘高度第十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷區(qū)電場(chǎng)方向由體內(nèi)指向表面(Vs<0)半導(dǎo)體表面電子的能量高于體內(nèi)的，能帶向上彎曲，即形成表面勢(shì)壘當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸Wm>Ws在勢(shì)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(nèi)小得多，因此它是一個(gè)高阻的區(qū)域，常稱為阻擋層。第十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五Wm<Ws當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體表面形成一個(gè)負(fù)的空間電荷區(qū)電場(chǎng)方向由表面指向體內(nèi)(Vs>0)半導(dǎo)體表面電子的能量低于體內(nèi)的，能帶向下彎曲在空間電荷區(qū)中，電子濃度要比體內(nèi)大得多，因此它是一個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，稱為反阻擋層。第十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五EcEvEFWs-Wm-Wm金屬和n型半導(dǎo)體接觸能帶圖

(Wm<Ws)反阻擋層薄,高電導(dǎo),對(duì)接觸電阻影響小第十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五能帶向下彎曲,造成空穴的勢(shì)壘,形成p型阻擋層當(dāng)金屬與p型半導(dǎo)體接觸能帶向上彎曲,形成p型反阻擋層第十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五WmEcEvEcEv金屬和p型半導(dǎo)體接觸能帶圖(a)(b)(a)p型阻擋層(Wm<Ws)

(b)p型反阻擋層(Wm>Ws)第十五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五形成n型和p型阻擋層的條件Wm>WsWm<Ws

n型

p型阻擋層反阻擋層阻擋層反阻擋層第十六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.表面態(tài)對(duì)接觸勢(shì)壘的影響金屬和n半導(dǎo)體接觸時(shí),形成的金屬的勢(shì)壘高度同一半導(dǎo)體,不變.qns應(yīng)隨Wm

而變???事實(shí)上,由于半導(dǎo)體表面態(tài)的存在,

Wm

對(duì)qns的影響不大第十七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五表面態(tài)分施主表面態(tài)和受主表面態(tài)，在半導(dǎo)體表面禁帶中形成一定的分布，存在一個(gè)距價(jià)帶頂為q0

的能級(jí)對(duì)多數(shù)半導(dǎo)體，q0

約為禁帶寬度的1/3電子填滿q0

以下所有表面態(tài)時(shí)，表面電中性

q0

以下的表面態(tài)空著時(shí)，表面帶正電，呈現(xiàn)施主型q0

以上的表面態(tài)被電子填充時(shí)，表面帶負(fù)電，呈現(xiàn)受主型第十八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五存在受主表面態(tài)時(shí)n型半導(dǎo)體的能帶圖EFqnsWsq0qVDEVEC第十九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五若表面態(tài)密度很大，只要EF

比q0

高一點(diǎn)，表面上就會(huì)積累很多負(fù)電荷，能帶上彎存在高表面態(tài)密度時(shí)n型半導(dǎo)體的能帶圖qnsWsq0EnEFEVEc第二十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五高表面態(tài)密度時(shí)，勢(shì)壘高度勢(shì)壘高度稱為被高表面態(tài)密度釘扎無表面態(tài)，半導(dǎo)體的功函數(shù)第二十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五有表面態(tài)，即使不與金屬接觸，表面也形成勢(shì)壘，半導(dǎo)體的功函數(shù)（形成電子勢(shì)壘時(shí)）表面態(tài)密度很高時(shí)費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)：在半導(dǎo)體表面，費(fèi)米能級(jí)的位置由表面態(tài)決定，而與半導(dǎo)體摻雜濃度無關(guān)的現(xiàn)象。第二十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五表面受主態(tài)密度很高的n型半導(dǎo)體與金屬接觸能帶圖(a)接觸前E0Wm(EF)mqns(EF)sECqVD(省略表面態(tài)能級(jí)）第二十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五金和半接觸時(shí),當(dāng)半導(dǎo)體的表面態(tài)密度很高時(shí)電子從半導(dǎo)體流向金屬這些電子由受主表面態(tài)提供平衡時(shí)，費(fèi)米能級(jí)達(dá)同一水平Wm(EF)sECqVDWm-Ws(b)緊密接觸空間電荷區(qū)的正電荷＝表面受主態(tài)上的負(fù)電荷＋金屬表面負(fù)電荷第二十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五表面受主態(tài)密度很高的n型半導(dǎo)體與金屬接觸能帶圖(c)極限情形(EF)sECqns第二十五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五半導(dǎo)體的勢(shì)壘高度半導(dǎo)體內(nèi)的表面勢(shì)壘qVD

在接觸前后不變因表面態(tài)密度很高，表面態(tài)中跑掉部分電子后，表面能級(jí)q0

的位置基本不變第二十六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五勢(shì)壘高度金屬和p型半導(dǎo)體接觸時(shí)情形類似金－半接觸的的勢(shì)壘高度與金屬的功函數(shù)無關(guān)只取決于表面能級(jí)的位置當(dāng)表面態(tài)起主要作用時(shí)表面態(tài)密度不同，緊密接觸時(shí)，接觸電勢(shì)差有一部分要降落在半導(dǎo)體表面以內(nèi)，金屬功函數(shù)對(duì)表面勢(shì)壘將產(chǎn)生不同程度的影響，但影響不大。但是第二十七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五§８.2金屬半導(dǎo)體接觸（阻擋層）整流理論金－n型半接觸，Wm>Ws

時(shí)，在半導(dǎo)體表面形成一個(gè)高阻區(qū)域，叫阻擋層有外加V時(shí)，表面勢(shì)為(Vs)0＋V無外加V時(shí)，表面勢(shì)為(Vs)0電子勢(shì)壘高度為V

與(Vs)0

同符號(hào)時(shí)，阻擋層勢(shì)壘提高V

與(Vs)0

反符號(hào)時(shí)，阻擋層勢(shì)壘下降第二十八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五外加電壓對(duì)n型阻擋層的影響(a)V=0qnsqVD=－q(Vs)0第二十九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五外加電壓對(duì)n型阻擋層的影響(b)V>0qnsqV－q[(Vs)0+V]金屬正，半導(dǎo)體負(fù)從半到金的電子數(shù)目增加，形成從金到半的正向電流，此電流由多子構(gòu)成V,勢(shì)壘下降越多，正向電流越大因Vs<0第三十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五(c)V<0金屬負(fù)，半導(dǎo)體正-qVqns－q[(Vs)0+V]從半到金的電子數(shù)目減少，金到半的電子流占優(yōu)勢(shì)形成從半到金的反向電流金屬中的電子要越過很高的勢(shì)壘qns，所以反向電流很小qns不隨V變，所以從金到半的電子流恒定。V,反向電流飽和第三十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五阻擋層具有整流作用對(duì)p型阻擋層V<0,金屬負(fù)偏，形成從半向金的正向電流V>0,金屬正偏，形成反向電流第三十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.厚阻擋層的擴(kuò)散理論

對(duì)n型阻擋層，當(dāng)勢(shì)壘的寬度比電子的平均自由程大得多時(shí)，電子通過勢(shì)壘區(qū)要發(fā)生多次碰撞。當(dāng)勢(shì)壘高度遠(yuǎn)大于kT

時(shí)，勢(shì)壘區(qū)可近似為一個(gè)耗盡層。厚阻擋層須同時(shí)考慮漂移和擴(kuò)散0xdxqnsEF00VEn=qn第三十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五

耗盡層中，載流子極少，雜質(zhì)全電離，空間電荷完全由電離雜質(zhì)的電荷形成。這時(shí)的泊松方程是若半導(dǎo)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qND。第三十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五{0–第三十五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五勢(shì)壘寬度V與(Vs)0同號(hào)時(shí)，勢(shì)壘高度提高，勢(shì)壘寬度增大厚度依賴于外加電壓的勢(shì)壘，叫肖特基勢(shì)壘。第三十六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五考慮漂移和擴(kuò)散，流過勢(shì)壘的電流密度第三十七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五V>0時(shí)，若qV>>kT,則V<0時(shí)，若qV>>kT,則JsD

隨電壓變化，不飽和金屬半導(dǎo)體接觸伏安特性VI擴(kuò)散理論適用于遷移率小的半導(dǎo)體第三十八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五

計(jì)算超越勢(shì)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N型阻擋層很薄時(shí):?電子的平均自由程遠(yuǎn)大于勢(shì)壘寬度，擴(kuò)散理論不再適用.?電子在勢(shì)壘區(qū)的碰撞可忽略，勢(shì)壘高度起作用以n型阻擋層為例，且假定勢(shì)壘高度第三十九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五

電子從金屬到半導(dǎo)體所面臨的勢(shì)壘高度不隨外加電壓變化。從金屬到半導(dǎo)體的電子流所形成的電流密度Jm

s是個(gè)常量，它應(yīng)與熱平衡條件下，即V=0時(shí)的Jsm大小相等，方向相反。因此，第四十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五有效理查遜常數(shù)熱電子向真空發(fā)射的有效理查遜常數(shù)第四十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五由上式得到總電流密度為：第四十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五Ge,Si,GaAs的遷移率高，自由程大，它們的肖特基勢(shì)壘中的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)，主要是多子的熱電子發(fā)射。熱電子發(fā)射理論得到的伏－安特性與擴(kuò)散理論的一致。第四十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.鏡象力和隧道效應(yīng)的影響鍺檢波器的反向特性第四十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五若電子距金屬表面的距離為x，則它與感應(yīng)正電荷之間的吸引力，相當(dāng)于該電子與位于(–x)處的等量正電荷之間的吸引力，這個(gè)正電荷稱為鏡象電荷。在金屬–真空系統(tǒng)中，一個(gè)在金屬外面的電子，要在金屬表面感應(yīng)出正電荷，同時(shí)電子要受到正電荷的吸引。（1）鏡象力的影響第四十五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五+-鏡象電荷電子–x′nx鏡象電荷這個(gè)吸引力稱為鏡象力，它應(yīng)為第四十六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五把電子從x點(diǎn)移到無窮遠(yuǎn)處，電場(chǎng)力所做的功半導(dǎo)體和金屬接觸時(shí)，在耗盡層中，選(EF)m為勢(shì)能零點(diǎn)，由于鏡像力的作用，電子的勢(shì)能第四十七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五qΔΦqΦns(EF)m0無鏡象力有鏡象力xm鏡象勢(shì)能平衡時(shí)鏡象力對(duì)勢(shì)壘的影響x第四十八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五電勢(shì)能在xm處出現(xiàn)極大值，這個(gè)極大值發(fā)生在作用于電子上的鏡象力和電場(chǎng)力相平衡的地方，即若,從上式得到第四十九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五勢(shì)壘頂向內(nèi)移動(dòng)，并且引起勢(shì)壘的降低q

。勢(shì)能的極大值小于qΦns。這說明，鏡象力使平衡時(shí)，q

很小，可忽略外加電壓非平衡時(shí)，勢(shì)壘極大值所對(duì)應(yīng)的x值第五十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五當(dāng)反向電壓較高時(shí)，勢(shì)壘的降低變得明顯，鏡象力的影響顯得重要。勢(shì)壘的降低量鏡象力所引起的勢(shì)壘降低量隨反向電壓的增加而緩慢地增大第五十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五不考慮鏡像力的影響時(shí)考慮鏡像力的影響時(shí)JsD中的變?yōu)閂,JsD

第五十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五（2）隧道效應(yīng)的影響能量低于勢(shì)壘頂?shù)碾娮佑幸欢ǜ怕蚀┻^勢(shì)壘，穿透的概率與電子能量和勢(shì)壘厚度有關(guān)隧道效應(yīng)的簡(jiǎn)化模型對(duì)于一定能量的電子，存在一個(gè)臨界勢(shì)壘厚度xc,若xd>xc,則電子完全不能穿過勢(shì)壘；若xd<xc,則勢(shì)壘對(duì)于電子完全透明，即勢(shì)壘降低了.金屬一邊的有效勢(shì)壘高度為-qV(x),若xc<<xd第五十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五隧道效應(yīng)引起的勢(shì)壘降低為反向電壓較高時(shí)，勢(shì)壘的降低才明顯第五十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五鏡像力和隧道效應(yīng)對(duì)反向特性影響顯著?引起勢(shì)壘高度的降低，使反向電流增加?反向電壓越大，勢(shì)壘降低越顯著，反向電流越大第五十五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.肖特基勢(shì)壘二極管肖特基勢(shì)