半导体物理学 第七版 刘恩科编著chap7.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 金属和半导体的接触,Contact between Metal and Semiconductor,7.1,金属,-,半导体接触和能级图,Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram,7.1.1,金属和半导体的功函数,E,c,E,v,W,m,W,s,E,Fm,E,Fs,E,0,E,n,Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram,Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram,7.1.2,接触电势差,Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram,Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram,金属和半导体的电势,接触电势差,若金属与半导体间距减小，接触电势差一部分落在空间电荷区，一部分降落在金属和半导体表面之间：,若紧密接触，则,V,ms,很小，接触电势差大部分落在空间电荷区。,金属与半导体之间距离远大于原子间距,忽略间隙中电势差，,导带底电子向金属运动时必须越过的势垒的高度：,qV,D,=-,qV,s,=W,m,-W,s,（,1,）,金属一边的电子运动到半导体一边也需要越过的势垒高度：,qV,D,E,c,E,F,E,v,Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram,阻挡层与反阻挡层,Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram,（,1,）金属,-n,型半导体接触,Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram,（,a,）,W,m,W,s,电子阻挡层,:,Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram,Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram,金属一边的势垒,半导体一边的势垒,Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram,（,b,）,W,m,W,m,空穴阻挡层,:,E,Fm,E,Fs,W,s,W,m,E,v,E,c,E,0,Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram,接触后：,qV,D,=W,s,-W,m,x,D,E,F,E,v,E,c,Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram,（,2,）,W,m,W,s,空穴反阻挡层,:,W,s,W,m,E,Fs,E,Fm,E,v,E,c,E,0,Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram,接触后：,E,F,E,c,E,v,x,D,Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram,7.1.3,表面态对接触势垒的影响,表,面,态：,局域在表面附近的电子态。,表面能级：,与表面态相应的能级称为表 面能级。,Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram,E,0,E,Fm,W,m,W,s,W,l,E,v,E,FS,0,E,F,0,表面能级,A,、接触前，半导体体内与表面电,子态未交换电子,Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram,B,、接触前，半导体体内与表面电子态交换电子后,能带弯曲量,qV,D,=E,F,0,-E,Fs,0,与金属的性能无关,半导体的功函数则变为：,E,Fm,W,l,qV,D,E,n,qV,D,E,Fs,W,m,W,l,E,0,E,v,E,F,E,c,Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram,C,、金属与半导体接触后,qV,D,E,c,（,0,）,E,c,E,v,Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram,实际中，,E,Fs,0,常位于,E,v,以上,1/3E,g,处，所以,Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram,当半导体的表面态密度很高时，由于它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，而基本上由半导体的表面性质决定，接触电势差全部落在两个表面之间。,*,阻挡层的整流特性和整流理论,*,欧姆接触,7.2,金属半导体接触整流理论,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,阻挡层的整流特性,外加电压对阻挡层的作用,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,整流理论,（,1,）扩散理论,x,d,l,n,时,（,2,）热电子发射理论,x,d,l,n,时，电子通过势垒区将发生多次碰撞。,势垒高度,qV,D,k,0,T,时，,势垒区,内的载流子浓度,0,耗尽区,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,V,D,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,（,加上外加电压在金属上）,这种势垒宽度随外加电压的变化而变化的势垒就是,Schottky,势垒,。,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,积分,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,讨论：,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,7.2.2,热电子发射理论,x,d,k,0,T,思路：,(a)J,s,m,(b),J,m,s,(,c)J,=J,s,m,+,J,m,s,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,(a)J,s,m,时：,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,（,b,）,J,m,s,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,（,c,）总电流密度,J,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,扩散理论,与,热电子理论,的差异,x,d,l,n,时：,x,d,l,n,时：,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,7.2.3,镜像力和隧道效应的影响,反向特性不饱和,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,势垒受到镜象力的影响：,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,（,1,）镜象力的影响,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,感应电荷对电子产生库仑吸引力,镜象力,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,对于金属,-,半导体接触势垒中的电子，附加势能为,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,取势能零点在,E,Fm,处，考虑附加势能后，,电子的有效势能,为：,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,当电子所受到的电场力,=,镜像力时，有,V,max,=V,（,x,m,）,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,镜向力导致反向特性不饱和,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,（,2,）隧道效应的影响,:,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,决定隧道穿透几率的两个因素：,（,1,）势垒高度,（,2,）隧道厚度,隧道穿透的临界厚度为,x,c,，,当半导体一边的势垒厚度,x,x,c,时，势垒对电子完全,透明,隧道穿透,1938,年，,W.,Schottky,提出了基于整流二极管的理论，称为肖特基二极管理论。这一理论以金属和半导体功函数差为基础。,肖特基势垒二极管是多子器件,有优良的高频特性,.,一般情况下,不必考虑少子的注入和复合,.,肖特基势垒二极管有较低的正向导通电压,.,7.3,少数载流子的注入和欧姆接触,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,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。,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。,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。,对,n,型阻挡层而言,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。,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。,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,电子的势垒为,令,y=d,0,-x,，则,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,隧道电流与隧道概率成正比,进而可得到,SEMICONDUCTOR PHYSICS,