半导体第七章金属和半导体的接触ppt课件.ppt

第七章金属和半导体的接触,1,本章内容,金属和半导体接触（4学时）金属半导体接触及其能级图；少数载流子的注入和欧姆接触。重点：金属和半导体之间接触的能带图，少数载流子的注入过程和形成欧姆接触的必要条件。,2,7.1金属半导体接触及其能级图,金属功函数,7.1.1金属和半导体的功函数,金属中的电子虽然能在金属中自由运动，但绝大多数所处的能级都低于体外能级。,3,金属功函数随原子序数的递增呈现周期性变化,4,关于功函数的几点说明:对金属而言,功函数Wm可看作是固定的.功函数Wm标志了电子在金属中被束缚的程度.对半导体而言,功函数与掺杂有关功函数与表面有关.功函数是一个统计物理量。,5,半导体的功函数Ws,E0与费米能级之差称为半导体的功函数。,Ec,(EF)s,Ev,E0,Ws,表示从Ec到E0的能量间隔：,称为电子的亲和能，它表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需要的最小能量。,En,Ep,6,故其中,对半导体，电子亲和能是固定的，功函数与掺杂有关,7,半导体功函数与杂质浓度的关系n型半导体:p型半导体:,8,7.1.2接触电势差,设想有一块金属和一块n型半导体，并假定金属的功函数大于半导体的功函数，即：,接触前：,Ec,(EF)s,Ev,E0,Ws,En,Wm,(EF)m,9,金属和半导体间距离D远大于原子间距,由于WmWs，即EFmWs，半导体表面形成正的空间电荷区，电场由体内指向表面，Vs0若金属接电源正极，n型半导体接电源负极，则外加电压降方向由金属指向半导体，外加电压方向和接触表面势方向相反，使势垒高度下降，电子顺利的流过降低了的势垒。从半导体流向金属的电子数超过从金属流向半导体的电子数，形成从金属流向半导体的正向电流。,26,（3）V0时，若qVk0T，则当Vk0T，则该理论适用于迁移率较小，平均自由程较短的半导体，如氧化亚铜。,31,32,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。,热电子发射理论,33,针对n型半导体，电流密度,其中理查逊常数,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。,34,两种理论结果表示的阻挡层电流与外加电压变化关系基本一致，体现了电导非对称性正向电压，电流随电压指数增加；负向电压，电流基本不随外加电压而变化JSD与外加电压有关；JST与外加电压无关，强烈依赖温度T。当温度一定，JST随反向电压增加处于饱和状态，称之为反向饱和电流。,35,镜像力和隧道效应的影响,36,镜像力的影响,37,隧道效应微观粒子要越过一个势垒时，能量超过势垒高度的微粒子，可以越过势垒，而能量低于势垒高度的粒子也有一定的概率穿过势垒，其他的则被反射。这就是所谓微粒子的隧道效应。,38,隧道效应的影响,结论：只有在反向电压较高时，电子的动能较大，使有效势垒高度下降较多，对反向电流的影响才是显著的。,39,肖特基势垒二极管与p-n结的相同点：单向导电性。与p-n结的不同点：（1）多数载流子器件和少数载流子器件（2）无电荷存贮效应和有电荷存贮效应（3）高频特性好。（4）正向导通电压小。,40,肖特基二极管JsD和JsT比p-n结反向饱和电流Js大得多。即肖特基二极管有较低的正向导通电压。用途：钳位二极管(提高电路速度)等。,41,n型阻挡层，体内电子浓度为n0，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p0，则表面浓度为,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,42,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。,43,平衡时，如果接触面处有此时若有外加电压，p(0)将超过n0，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。,44,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。对n型阻挡层而言,45,7.2.2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。当有电流经过时，欧姆接触上的电压降应远小于样品或者器件本身的压降，即电流-电压特性是由样品的电阻或者器件的特性决定的。,46,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。,47,接触电阻：零偏压下的微分电阻把导带底Ec选作电势能的零点，可得,48,电子的势垒为令y=d0-x，则,49,根据量子力学中的结论，x=d0处导带底电子通过隧道效应贯穿势垒的隧道概