半导体物理经典第八章金属半导体接触.ppt

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1、现在学习的是第1页，共60页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0EmWEFWm 越大, 金属对电子的束缚越强现在学习的是第2页，共60页在半导体中，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sFsEEW)(0Ws 与杂质浓度有关E0ECEFEVWs电子的亲合能CEE 0现在学习的是第3页，共60页2.接触电势差EvWssFE )(mW0ECEnEmFE )(半导体的功函数又写为nsFCsEEEW)(smWW 现在学习的是第4页，共60页

2、D（b）间隙很大 (D原子间距)(msVVqCEnEVEFEmWsW金属表面负电半导体表面正电Vm: 金属的电势Vs: 半导体的电势现在学习的是第5页，共60页smmsWWVVq)(平衡时, 无电子的净流动. 相对于(EF)m, 半导体的(EF)s下降了qWWVVVmssmms接触电势差:金属和半导体接触而产生的电势差 Vms.现在学习的是第6页，共60页（c）紧密接触FE)(msVVqnSqmWCEnEVE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现在学习的是第7页，共60页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

3、体表面之间smsmsVVqWW若D原子间距, 电子可自由穿过间隙, Vms0, 则接触电势差大部分降落在空间电荷区smsVqWW/ )(现在学习的是第8页，共60页FEnSqCEVEnE（d）忽略间隙qVD现在学习的是第9页，共60页半导体一边的势垒高度0,ssmsDVWWqVqV金属一边的势垒高度mnsmnsnDnsWEWWEqVEqVq现在学习的是第10页，共60页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 (VsWs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。现在学习的是第11页，共60页Wm0)半导体表面电子的能量低

4、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。现在学习的是第12页，共60页EcEvEFWs-Wm-Wm金属和 n 型半导体接触能带图 (WmWs)反阻挡层薄, 高电导, 对接触电阻影响小现在学习的是第13页，共60页能带向下弯曲, 造成空穴的势垒, 形成 p 型阻挡层smWW smWW 当金属与 p 型半导体接触能带向上弯曲, 形成 p 型反阻挡层现在学习的是第14页，共60页WmEcEvEcEv金属和p型半导体接触能带图(a)(b)(a) p型阻挡层(WmWs)PSqPSqsmDWWqVFEFEmsDWWqV现在学习的是第15页，共

5、60页形成n型和p型阻挡层的条件WmWsWm 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)0V无外加 V 时，表面势为(Vs)0电子势垒高度为)(0VVqsV 与 (Vs)0 同符号时，阻挡层势垒提高V 与 (Vs)0 反符号时，阻挡层势垒下降现在学习的是第28页，共60页外加电压对 n 型阻挡层的影响(a) V=0qnsqVD =q(Vs)0现在学习的是第29页，共60页外加电压对 n 型阻挡层的影响(b) V 0qnsqVq(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

6、Vs0现在学习的是第30页，共60页(c) V 0金属负，半导体正- qVqnsq(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 qns，所以反向电流很小qns不随V变，所以从金到半的电子流恒定。V, 反向电流饱和现在学习的是第31页，共60页阻挡层具有整流作用对p型阻挡层0)(0sVV0, 金属正偏，形成反向电流现在学习的是第32页，共60页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

7、0 xdxqnsEFDsqVqV 00VEn=qn现在学习的是第33页，共60页 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。现在学习的是第34页，共60页0)()(rDqNdxxdVxE0rDqN22dxVd0)0(dxx )(dxx )(dxx)(xVnsdrDxxxqN)21(20现在学习的是第35页，共60页势垒宽度 2/1002DsrdqNVVxV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。现在学习的是第36页，共60页考虑漂移和扩散，

8、流过势垒的电流密度1expkTqVJJsD kTqVVVqNkTqVVqNkTNDqJDDrDnssrDcnsDexp2exp22/102/100200nqn现在学习的是第37页，共60页V0 时，若 qVkT, 则)exp(kTqVJJsDVkT, 则sDJJJsD 随电压变化，不饱和金属半导体接触伏安特性VI扩散理论适用于迁移率小的半导体现在学习的是第38页，共60页 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kTVqs0

9、)(现在学习的是第39页，共60页 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J m s是个常量，它应与热平衡条件下，即V=0时的 J s m大小相等，方向相反。因此，)exp(*20kTqTAJJnsVmSsm现在学习的是第40页，共60页有效理查逊常数32*4hkqmAn热电子向真空发射的有效理查逊常数)/(12022KcmAA现在学习的是第41页，共60页由上式得到总电流密度为：1)exp(1)exp()exp(*2kTqVJTkqVTkqTAJJJsTnssmmS现在学习的是第42页，共60页kTqTAJnssTexp2*Ge, Si,

10、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。现在学习的是第43页，共60页3. 镜象力和隧道效应的影响锗检波器的反向特性现在学习的是第44页，共60页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）镜象力的影响现在学习的是第45页，共60页镜象电荷电子xnx镜 象 电 荷这个吸引力称为镜象力，它应为20220216)2(4

11、xqxqf现在学习的是第46页，共60页把电子从x点移到无穷远处，电场力所做的功xqdxxqfdxx02020216116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20202022116)(16xxxNqqxqxqVxqdrDnsrr现在学习的是第47页，共60页qqns(EF)m0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现在学习的是第48页，共60页电势能在 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)(16002202mdrDmrxxNqxq2/10)(41dDmXNxmdxx0

12、现在学习的是第49页，共60页势垒顶向内移动，并且引起势垒的降低 q 。势能的极大值小于qns。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2/1)(41dDmXNx现在学习的是第50页，共60页当反向电压较高时，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4/13032702241VVNqxmNqqDrDdmrD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现在学习的是第51页，共60页kTqVVVqNJDDrDsDexp22/10不考虑镜像力的影响时考虑镜像力的影响时JsD中的kTqVD/exp 变为kTVqD/expV , JsD

13、现在学习的是第52页，共60页（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 xdxc, 则电子完全不能穿过势垒；若 xdxc, 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xcxd现在学习的是第53页，共60页cDrDnscdrDnscxVVNqqxxNqqxqV2/103022)(隧道效应引起的势垒降低为cDrDxVVNq2/1032反向电压较高时，势垒的降低才明显现在学习的是第54页，共60页镜像力和隧道效应对反向特性影响显著引起势垒高度

14、的降低，使反向电流增加反向电压越大，势垒降低越显著， 反向电流越大现在学习的是第55页，共60页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03V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现在学习的是第56页，共60页 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kTqVppDexp)0(0现在学习的是第57页，共60页 空穴电流的大小，首先决定于阻挡层

15、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。现在学习的是第58页，共60页Ec(0)Ev(0)EcEFEvN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DqV)()0(FCVFEEEE则 p(0) 值应和 n0 值相近，n(0)也近似等于p0现在学习的是第59页，共60页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)mEc积累扩散少数载流子的积累现在学习的是第60页，共60页