半导体物理经典课件第八章金属半导体接触

第八章金属和半导体的接触 1金属半导体接触及能级图 1 金属和半导体的功函数 金属中的电子绝大多数所处的能级都低于体外能级 金属功函数的定义 真空中静止电子的能量E0与金属的EF能量之差 即 上式表示一个起始能量等于费米能级的电子 由金属内部逸出到真空中所需要的最小值 金属中的电子势阱 EF Wm越大 金属对电子的束缚越强 在半导体中 导带底EC和价带顶EV一般都比E0低几个电子伏特 半导体功函数的定义 真空中静止电子的能量E0与半导体的EF能量之差 即 Ws与杂质浓度有关 E0 EC EF EV Ws 电子的亲合能 2 接触电势差 Ev Ws a 接触前 半导体的功函数又写为 D b 间隙很大 D 原子间距 金属表面负电半导体表面正电 Vm 金属的电势Vs 半导体的电势 平衡时 无电子的净流动 相对于 EF m 半导体的 EF s下降了 接触电势差 金属和半导体接触而产生的电势差Vms c 紧密接触 半导体表面有空间电荷区 空间电荷区内有电场 电场造成能带弯曲 E 因表面势Vs 0 能带向上弯曲 qVD 接触电势差一部分降落在空间电荷区 另一部分降落在金属和半导体表面之间 若D 原子间距 电子可自由穿过间隙 Vms 0 则接触电势差大部分降落在空间电荷区 d 忽略间隙 qVD 半导体一边的势垒高度 金属一边的势垒高度 半导体表面形成一个正的空间电荷区 电场方向由体内指向表面 Vs 0 半导体表面电子的能量高于体内的 能带向上弯曲 即形成表面势垒 当金属与n型半导体接触 Wm Ws 在势垒区中 空间电荷主要由电离施主形成 电子浓度要比体内小得多 因此它是一个高阻的区域 常称为阻挡层 Wm Ws 当金属与n型半导体接触 半导体表面形成一个负的空间电荷区 电场方向由表面指向体内 Vs 0 半导体表面电子的能量低于体内的 能带向下弯曲 在空间电荷区中 电子浓度要比体内大得多 因此它是一个高电导的区域 称为反阻挡层 Ec Ev EF Ws Wm Wm 金属和n型半导体接触能带图 Wm Ws 反阻挡层薄 高电导 对接触电阻影响小 能带向下弯曲 造成空穴的势垒 形成p型阻挡层 当金属与p型半导体接触 能带向上弯曲 形成p型反阻挡层 Wm Ec Ev Ec Ev 金属和p型半导体接触能带图 a b a p型阻挡层 WmWs 形成n型和p型阻挡层的条件 Wm Ws Wm Ws n型 p型 阻挡层 反阻挡层 阻挡层 反阻挡层 3 表面态对接触势垒的影响 金属和n半导体接触时 形成的金属的势垒高度 同一半导体 不变 q ns应随Wm而变 事实上 由于半导体表面态的存在 Wm对q ns的影响不大 表面态分施主表面态和受主表面态 在半导体表面禁带中形成一定的分布 存在一个距价带顶为q 0的能级 对多数半导体 q 0约为禁带宽度的1 3 电子填满q 0以下所有表面态时 表面电中性q 0以下的表面态空着时 表面带正电 呈现施主型 q 0以上的表面态被电子填充时 表面带负电 呈现受主型 存在受主表面态时n型半导体的能带图 EF q ns Ws q 0 qVD EV EC 若表面态密度很大 只要EF比q 0高一点 表面上就会积累很多负电荷 能带上弯 存在高表面态密度时n型半导体的能带图 q ns Ws q 0 En EF EV Ec 高表面态密度时 势垒高度 势垒高度称为被高表面态密度钉扎 无表面态 半导体的功函数 有表面态 即使不与金属接触 表面也形成势垒 半导体的功函数 形成电子势垒时 表面态密度很高时 费米能级钉扎效应 在半导体表面 费米能级的位置由表面态决定 而与半导体掺杂浓度无关的现象 表面受主态密度很高的n型半导体与金属接触能带图 a 接触前 E0 Wm EF m q ns EF s EC qVD 省略表面态能级 金和半接触时 当半导体的表面态密度很高时 电子从半导体流向金属 这些电子由受主表面态提供 平衡时 费米能级达同一水平 Wm EF s EC qVD Wm Ws b 紧密接触 空间电荷区的正电荷 表面受主态上的负电荷 金属表面负电荷 表面受主态密度很高的n型半导体与金属接触能带图 c 极限情形 EF s EC q ns 半导体的势垒高度 半导体内的表面势垒qVD在接触前后不变 因表面态密度很高 表面态中跑掉部分电子后 表面能级q 0的位置基本不变 势垒高度 金属和p型半导体接触时情形类似 金 半接触的的势垒高度与金属的功函数无关 只取决于表面能级的位置 当表面态起主要作用时 表面态密度不同 紧密接触时 接触电势差有一部分要降落在半导体表面以内 金属功函数对表面势垒将产生不同程度的影响 但影响不大 但是 2金属半导体接触 阻挡层 整流理论 金 n型半接触 Wm Ws时 在半导体表面形成一个高阻区域 叫阻挡层 有外加V时 表面势为 Vs 0 V 无外加V时 表面势为 Vs 0 电子势垒高度为 V与 Vs 0同符号时 阻挡层势垒提高 V与 Vs 0反符号时 阻挡层势垒下降 外加电压对n型阻挡层的影响 a V 0 q ns qVD q Vs 0 外加电压对n型阻挡层的影响 b V 0 q ns qV q Vs 0 V 金属正 半导体负 从半到金的电子数目增加 形成从金到半的正向电流 此电流由多子构成 V 势垒下降越多 正向电流越大 因Vs 0 c V 0 金属负 半导体正 qV q ns q Vs 0 V 从半到金的电子数目减少 金到半的电子流占优势形成从半到金的反向电流 金属中的电子要越过很高的势垒q ns 所以反向电流很小 q ns不随V变 所以从金到半的电子流恒定 V 反向电流饱和 阻挡层具有整流作用 对p型阻挡层 V0 金属正偏 形成反向电流 1 厚阻挡层的扩散理论 对n型阻挡层 当势垒的宽度比电子的平均自由程大得多时 电子通过势垒区要发生多次碰撞 当势垒高度远大于kT时 势垒区可近似为一个耗尽层 厚阻挡层 须同时考虑漂移和扩散 0 xd x q ns EF 0 0 V En q n 耗尽层中 载流子极少 杂质全电离 空间电荷完全由电离杂质的电荷形成 这时的泊松方程是 若半导体是均匀掺杂的 那么耗尽层中的电荷密度也是均匀的 等于qND 0 势垒宽度 V与 Vs 0同号时 势垒高度提高 势垒宽度增大 厚度依赖于外加电压的势垒 叫肖特基势垒 考虑漂移和扩散 流过势垒的电流密度 V 0时 若qV kT 则 V kT 则 JsD随电压变化 不饱和 金属半导体接触伏安特性 V I 扩散理论适用于迁移率小的半导体 计算超越势垒的载流子数目 电流 就是热电子发射理论 2 热电子发射理论 N型阻挡层很薄时 电子的平均自由程远大于势垒宽度 扩散理论不再适用 电子在势垒区的碰撞可忽略 势垒高度起作用 以n型阻挡层为例 且假定势垒高度 电子从金属到半导体所面临的势垒高度不随外加电压变化 从金属到半导体的电子流所形成的电流密度Jm s是个常量 它应与热平衡条件下 即V 0时的Js m大小相等 方向相反 因此 有效理查逊常数 热电子向真空发射的有效理查逊常数 由上式得到总电流密度为 Ge Si GaAs的迁移率高 自由程大 它们的肖特基势垒中的电流输运机构 主要是多子的热电子发射 热电子发射理论得到的伏 安特性与扩散理论的一致 3 镜象力和隧道效应的影响 锗检波器的反向特性 若电子距金属表面的距离为x 则它与感应正电荷之间的吸引力 相当于该电子与位于 x 处的等量正电荷之间的吸引力 这个正电荷称为镜象电荷 在金属 真空系统中 一个在金属外面的电子 要在金属表面感应出正电荷 同时电子要受到正电荷的吸引 1 镜象力的影响 镜象电荷 电子 x n x 镜象电荷 这个吸引力称为镜象力 它应为 把电子从x点移到无穷远处 电场力所做的功 半导体和金属接触时 在耗尽层中 选 EF m为势能零点 由于镜像力的作用 电子的势能 q q ns EF m 0 无镜象力 有镜象力 xm 镜象势能 平衡时镜象力对势垒的影响 x 电势能在xm处出现极大值 这个极大值发生在作用于电子上的镜象力和电场力相平衡的地方 即 若 从上式得到 势垒顶向内移动 并且引起势垒的降低q 势能的极大值小于q ns 这说明 镜象力使 平衡时 q 很小 可忽略 外加电压非平衡时 势垒极大值所对应的x值 当反向电压较高时 势垒的降低变得明显 镜象力的影响显得重要 势垒的降低量 镜象力所引起的势垒降低量随反向电压的增加而缓慢地增大 不考虑镜像力的影响时 考虑镜像力的影响时 JsD中的 变为 V JsD 2 隧道效应的影响 能量低于势垒顶的电子有一定概率穿过势垒 穿透的概率与电子能量和势垒厚度有关 隧道效应的简化模型 对于一定能量的电子 存在一个临界势垒厚度xc 若xd xc 则电子完全不能穿过势垒 若xd xc 则势垒对于电子完全透明 即势垒降低了 金属一边的有效势垒高度为 qV x 若xc xd 隧道效应引起的势垒降低为 反向电压较高时 势垒的降低才明显 镜像力和隧道效应对反向特性影响显著 引起势垒高度的降低 使反向电流增加 反向电压越大 势垒降低越显著 反向电流越大 4 肖特基势垒二极管 肖特基势垒二极管的正向电流 主要是由半导体中的多数载流子进入金属形成的 此二极管将有较低的正向导通电压 一般为0 3V左右 且有更好的高频特性 利用金属 半导体整流接触特性制成的二极管 3少数载流子的注入和欧姆接触 1 少数载流子的注入 N型半导体的势垒和阻挡层都是对电子而言 由于空穴所带电荷与电子电荷符号相反 电子的阻挡层就是空穴的积累层 空穴的浓度在表面最大 空穴电流的大小 首先决定于阻挡层中的空穴浓度 只要势垒足够高 靠近接触面的空穴浓度就可以很高 空穴自表面向内部扩散 正偏时 势垒降低 空穴扩散占优势 形成的电流与电子电流同向 Ec 0 Ev 0 Ec EF Ev N型反型层中的载流子浓度 如果在接触面附近 费米能级和价带顶的距离 则p 0 值应和n0值相近 n 0 也近似等于p0 势垒中空穴和电子所处的情况几乎完全相同 只是空穴的势垒顶在阻挡层的内边界 在加正向电压时 空穴将流向半导体 但它们并不能立即复合 必然要在阻挡层内界形成一定的积累 然后再依靠扩散运动继续进入半导体内部 EF m Ec 积累 扩散 少数载流子的积累 上图说明这种积累的效果显然是阻碍空穴的流动 因此 空穴对电流贡献的大小还决定于空穴进入半导体内扩散的效率 在金属和n型半导体的整流接触上加正电压时 就有空穴从金属流向半导体 这种现象称为少数载流子的注入 空穴从金属注入半导体 实质上是半导体价带顶部附近的电子流向金属 填充金属中 EF m以下的空能级 而在价带顶附近产生空穴 2 欧姆接触