第7章 金属和半导体接触.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,第七章 金属和半导体的接触,1,7.1,金属半导体接触及其能级图,2,7.1.1,金属和半导体的功函数,金属功函数,金属功函数随原子序数的递增呈现周期性变化。,3,半导体功函数,电子亲和能,故,其中,4,7.1.2,接触电势差,金属与,n,型半导体接触,为例,金属和半导体间距离,D,远大于原子间距,随着,D,的减小，,5,若,D,小到可以与原子间距相比较,若,W,m,W,s,，半导体表面形成正的空间电荷区，电场由体内指向表面，,V,s,0,，形成表面势垒（阻挡层）。,若,W,m,0,。形成高电导区（反阻挡层）。,6,7.1.3,表面态对接触电势的影响,实验表明：不同金属的功函数虽然相差很大，但与半导体接触时形成的势垒高度却相差很小。,原因：半导体表面存在表面态。,7,表面态分为施主型和受主型。表面态在半导体表面禁带中呈现一定分布，表面处存在一个距离价带顶为,q,0,的能级。电子正好填满,q,0,以下所有的表面态时，表面呈电中性。若,q,0,以下表面态为空，表面带正电，呈现施主型；,q,0,以上表面态被电子填充，表面带负电，呈现受主型。对于大多数半导体，,q,0,越为禁带宽度的三分之一。,8,若,n,型半导体存在表面态，费米能级高于,q,0,，表面态为受主型，表面处出现正的空间电荷区，形成电子势垒。势垒高度,qV,D,恰好使表面态上的负电荷与势垒区的正电荷相等。,9,高表面态密度钉扎（,pinned,）,存在表面态即使不与金属接触，表面也形成势垒。,当半导体的表面态密度很高时，可以屏蔽金属接触的影响，使半导体内的势垒高度和金属的功函数几乎无关，有半导体表面性质决定。,10,7.2,金属半导体接触整流理论,11,7.2.1,扩散理论,当势垒宽度大于电子的平均自由程，电子通过势垒要经过多次碰撞，这样的阻挡层称为厚阻挡层。（耗尽层近似）,泊松方程,12,边界条件,可得,13,外加电压于金属，则,可得势垒宽度,14,电流密度方程,代入爱因斯坦关系，并整理得,15,在,x=0,到,x=x,d,对上式积分，求解可得,当,V0,时，若,qVk,0,T,，则,16,当,Vk,0,T,，则,该理论是用于迁移率较小，平均自由程较短的半导体，如氧化亚铜。,17,7.2.2,热电子发射理论,当,n,型阻挡层很薄，电子平均自由程远大于势垒宽度。起作用的是势垒高度而不是势垒宽度。电流的计算归结为超越势垒的载流子数目。,假定，由于越过势垒的电子数只占半导体总电子数很少一部分，故半导体内的电子浓度可以视为常数。,讨论非简并半导体的情况。,18,半导体单位体积能量在,EE+dE,范围内的电子数,19,若,v,为电子运动的速率，则,带入上式，并利用,20,可得,单位体积内，速率,v,x,v,x,+dv,x,，,v,y,v,y,+dv,y,，,v,z,v,z,+dv,z,范围内的电子数,21,显然单位面积而言，大小为,v,x,的体积内，上述速度范围的电子都可以达到金属和半导体界面。,达到界面的电子要越过势垒，必须满足,22,所需要的,x,方向的最小速度,若规定电流的正方向是从金属到半导体，则从半导体到金属的电子流所形成的电流密度为,23,其中,理查逊常数,电子从金属到半导体所面临的势垒高度不随外加电压而变化，所以为常量，与热平衡条件下，即,V=0,时的,J,s-m,大小相等，方向相反。,24,总电流密度,25,Ge,、,Si,、,GaAs,有较高的载流子迁移率，有较大的平均自由程，因此在室温下主要是多数载流子的热电子发射。,26,7.2.4,肖特基势垒二极管,与,pn,结的相同点：,单向导电性,。,与,pn,结的,不同点：,pn,结正向电流为非平衡少子扩散形成的电流,有显著的电荷存储效应；肖特基势垒二极管的正向电流主要是半导体多数载流子进入金属形成的，是多子器件，无积累，因此高频特性更好；,27,肖特基二极管,J,sD,和,J,sT,比,pn,结反向饱和电流,J,s,大得多。因此肖特基二极管由较低的正向导通电压。,用途：钳位二极管,(,提高电路速度,),等。,28,7.3,少数载流子的注入和欧姆接触,29,7.3.1,少数载流子的注入,n,型阻挡层，体内电子浓度为,n,0,，接触面处的电子浓度是,电子的阻挡层就是空穴积累层。在势垒区，空穴的浓度在表面处最大。体内空穴浓度为,p,0,，则表面浓度为,30,加正压时，势垒降低，形成自外向内的空穴流，形成的电流与电子电流方向一致。,空穴电流大小，取决于阻挡层的空穴浓度。,31,平衡时，如果接触面处有,此时若有外加电压，,p(0),将超过,n,0,，则空穴电流的贡献就很重要了。,加正向电压时，少数载流子电流与总电流值比称为少数载流子的注入比，用,表示。,32,加正电压时，势垒两边界处的电子浓度将保持平衡值，而空穴在阻挡层内界形成积累，然后再依靠扩散运动继续进入半导体内部。,因为平衡值,p,0,很小，所以相对的增加就很显著。,33,对,n,型阻挡层而言,34,7.3.2,欧姆接触,定义,不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的变化。,实现,反阻挡层没有整流作用，但由于常见半导体材料一般都有很高的表面态密度，因此很难用选择金属材料的办法来获得欧姆接触。,35,隧道效应：重掺杂的半导体与金属接触时，则势垒宽度变得很薄，电子通过隧道效应贯穿势垒产生大隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分，即可形成接近理想的欧姆接触。,36,接触电路：零偏压下的微分电阻,把导带底,E,c,选作电势能的零点，可得,37,电子的势垒为,令,y=d,0,-x,，则,38,根据量子力学中的结论，,x=d,0,处导带底电子通过隧道效应贯穿势垒的隧道概率为,有外加电压时，势垒宽度为,d,，表面势为,(V,s,),0,+V,，则隧道概率,39,隧道电流与隧道概率成正比,进而可得到,40,