半导体物理学 第七版 刘恩科编著chap7.ppt

第七章金属和半导体的接触ContactbetweenMetalandSemiconductor 7 1金属 半导体接触和能级图ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram 7 1 1金属和半导体的功函数 Ec Ev Wm Ws EFm EFs E0 En ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram 7 1 2接触电势差 ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram 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Vms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 qVD qVs Wm Ws 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 qVD Ec EF Ev ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram 阻挡层与反阻挡层 ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram 1 金属 n型半导体接触 ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram a Wm Ws电子阻挡层 ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram 金属一边的势垒半导体一边的势垒 ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram b Wm Ws电子反阻挡层 Ws Wm Ev Ec E0 EFm EFs ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram 2 金属 p型半导体接触 ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram 1 Ws Wm空穴阻挡层 EFm EFs Ws Wm Ev Ec E0 ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram 接触后 qVD Ws Wm xD EF Ev Ec ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram 2 Wm Ws空穴反阻挡层 Ws Wm EFs EFm Ev Ec E0 ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram 接触后 EF Ec Ev xD ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram 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 ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram E0 EFm Wm Ws Wl Ev EFS0 EF0 表面能级 A 接触前 半导体体内与表面电子态未交换电子 ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram 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qVD EF0 EFs0与金属的性能无关半导体的功函数则变为 EFm Wl qVD En qVD EFs Wm Wl E0 Ev EF Ec ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram C 金属与半导体接触后 qVD Ec 0 Ec Ev ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram 实际中 EFs0常位于Ev以上1 3Eg处 所以 ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram 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RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact 阻挡层的整流特性 外加电压对阻挡层的作用 RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact 整流理论 1 扩散理论xd ln时 2 热电子发射理论xd ln时 RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact 7 2 1扩散理论 xd ln时 电子通过势垒区将发生多次碰撞 势垒高度qVD k0T时 势垒区内的载流子浓度 0耗尽区 RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact VD RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact 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 RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact 积分 RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact 讨论 RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact 7 2 2热电子发射理论 xd ln时 电子通过势垒区的碰撞可以忽略 当电子动能大于势垒顶部时 电子可以自由越过势垒进入另一边热电子发射 RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact 假设势垒高度VD k0T 思路 a Jsm b Jms c J Jsm Jms RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact a Jsm时 RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact b Jms RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact c 总电流密度J RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact 扩散理论与热电子理论的差异 xd ln时 xd ln时 RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact 7 2 3镜像力和隧道效应的影响 反向特性不饱和 RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact 势垒受到镜象力的影响 RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact 1 镜象力的影响 RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact 感应电荷对电子产生库仑吸引力 镜象力 RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact 对于金属 半导体接触势垒中的电子 附加势能为 RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact 取势能零点在EFm处 考虑附加势能后 电子的有效势能为 RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact 当电子所受到的电场力 镜像力时 有Vmax V xm RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact 镜向力导致反向特性不饱和 RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact 2 隧道效应的影响 RectificationTheoryofMetal SemiconductorContact 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xc 当半导体一边的势垒厚度x xc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 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 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p0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