半导体物理经典课件第八章金属半导体接触.ppt
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1、第八章第八章 金属和半导体的接触金属和半导体的接触.1 金属半导体接触及能级图金属半导体接触及能级图 1.金属和半导体的功函数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金属中的电子绝大多数所处的能级都低于体外能级。低于体外能级。金属功函数金属功函数的定义的定义:真空中静止电子的真空中静止电子的能量能量 E0 与与 金属的金属的 EF 能量之差,即能量之差,即上式表示一个起始能量等于费米能级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的电子,由金属内部逸出到真空中所需要的最小值。需要的最小值。金属中的电子势阱金属中的电子势阱EFWm 越大越大,金属对电子的束缚越强金
2、属对电子的束缚越强在半导体中,导带底在半导体中,导带底 EC 和价带顶和价带顶 EV一般都比一般都比 E0 低几个电子伏特。低几个电子伏特。半导体功函数半导体功函数的定义的定义:真空中静止电子的真空中静止电子的能量能量 E0 与与 半导体的半导体的 EF 能量之差,即能量之差,即Ws 与杂质浓度有关与杂质浓度有关E0ECEFEV Ws电子的亲合能电子的亲合能2.接触电势差接触电势差EvWs(a)接触接触前前半导体的功函数又写为半导体的功函数又写为D(b)间隙很大)间隙很大(D原子间距原子间距)金属表面负电金属表面负电半导体表面正电半导体表面正电Vm:金属的电势金属的电势Vs:半导体的电势半导体
3、的电势平衡时平衡时,无电子的净流动无电子的净流动.相对于相对于(EF)m,半导体的半导体的(EF)s下降了下降了接触电势差接触电势差:金属和半导体接触而产生的电势差金属和半导体接触而产生的电势差 Vms.(c)紧密接触)紧密接触 半导体表面有空间半导体表面有空间 电荷区电荷区 空间电荷区内有电场空间电荷区内有电场 电场造成能带弯曲电场造成能带弯曲E+_因表面势因表面势 Vs 0能带向上弯曲能带向上弯曲qVD接触电势差一部分降落在空间电荷区接触电势差一部分降落在空间电荷区,另一另一部分降落在金属和半导体表面之间部分降落在金属和半导体表面之间若若D原子间距原子间距,电子可自由穿过间隙电子可自由穿过
4、间隙,Vms0,则接触电势差大部分降落在空间电荷区则接触电势差大部分降落在空间电荷区(d)忽略间隙)忽略间隙qVD半导体一边的势垒高度半导体一边的势垒高度金属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,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,常称为阻的区域,常称为阻挡层阻挡层。Wm0)半导体表面电子的能量低于体内的,能半导体表面电子的能量低于体内的,能 带向下弯
5、曲带向下弯曲在空间电荷区中,电子浓度要比体内大得多,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,称为因此它是一个高电导的区域,称为反阻挡层反阻挡层。EcEvEFWs-Wm-Wm金属和金属和 n 型半导体接触能带图型半导体接触能带图(WmWs)反阻挡层薄反阻挡层薄,高电导高电导,对接触电阻影响小对接触电阻影响小能带向下弯曲能带向下弯曲,造成空穴的势垒造成空穴的势垒,形成形成 p 型阻挡层型阻挡层当金属与当金属与 p 型半导体接触型半导体接触能带向上弯曲能带向上弯曲,形成形成 p 型反阻挡层型反阻挡层WmEcEvEcEv金属和金属和p型半导体接触能带图型半导体接触能带图(a)
6、(b)(a)p型阻挡层型阻挡层(WmWs)形成形成n型和型和p型阻挡层的条件型阻挡层的条件WmWsWm Ws 时,在半导体时,在半导体表面形成一个高阻区域,叫表面形成一个高阻区域,叫阻挡层阻挡层有外加有外加 V 时,表面势为时,表面势为(Vs)0V无外加无外加 V 时,表面势为时,表面势为(Vs)0电子势垒高度为电子势垒高度为V 与与(Vs)0 同符号时,阻挡层势垒提高同符号时,阻挡层势垒提高V 与与(Vs)0 反符号时,阻挡层势垒下降反符号时,阻挡层势垒下降外加电压对外加电压对 n 型阻挡层的影响型阻挡层的影响(a)V=0q nsqVD=q(Vs)0外加电压对外加电压对 n 型阻挡层的影响型
7、阻挡层的影响(b)V 0q nsqVq(Vs)0+V金属正,半导体负金属正,半导体负从半到金的电子数目增加,从半到金的电子数目增加,形成从金到半的正向电流,形成从金到半的正向电流,此电流由多子构成此电流由多子构成V,势垒下降越多,势垒下降越多,正向电流越大正向电流越大因因 Vs0(c)V 0金属负,半导体正金属负,半导体正-qVq nsq(Vs)0+V从半到金的电子数目减少,从半到金的电子数目减少,金到半的电子流占优势金到半的电子流占优势形成从半到金的反向电流形成从半到金的反向电流金属中的电子要越过很高的金属中的电子要越过很高的势垒势垒 q ns,所以反向电流很小,所以反向电流很小q ns不随
8、不随V变,所以从金到半的电子流恒定。变,所以从金到半的电子流恒定。V,反向电流饱和反向电流饱和阻挡层具有整流作用阻挡层具有整流作用对对p型阻挡层型阻挡层V0,金属正偏,形成反向电流金属正偏,形成反向电流1.厚阻挡层的厚阻挡层的扩散理散理论 对对n型阻挡层,当势垒的宽度比电子的型阻挡层,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平均自由程大得多时,电子通过势垒区要发生多次碰撞。生多次碰撞。当势垒高度远大于当势垒高度远大于 kT 时,势时,势垒区可近似为一个耗尽层。垒区可近似为一个耗尽层。厚阻挡层厚阻挡层须同时考虑漂移和扩散须同时考虑漂移和扩散0 xdxq nsEF00VEn=q
9、n 耗尽层中,载流子极少,杂质全电耗尽层中,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。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,等于荷密度也是均匀的,等于qND。0势垒宽度势垒宽度V与与(Vs)0同号时,势垒高度提高,势垒宽度增大同号时,势垒高度提高,势垒宽度增大厚度依赖于外加电压的势垒,叫厚度依赖于外加电压的势垒,叫肖特基势垒肖特基势垒。考虑漂移和扩散,流过势垒的电流密度考虑漂移和扩散,流过势垒的电流密度V0 时,若时,若 qVkT,则则VkT,则则JsD
10、 随电压变化,不饱和随电压变化,不饱和金属半导体接触伏安特性金属半导体接触伏安特性VI扩散理论适用于扩散理论适用于迁移率小的半导体迁移率小的半导体 计算超越势垒的载流子数目(电流)计算超越势垒的载流子数目(电流)就是就是热电子发射理论热电子发射理论。2.热电子发射理论热电子发射理论N型阻挡层很薄时型阻挡层很薄时:电子的平均自由程远大于势垒宽度,电子的平均自由程远大于势垒宽度,扩散理论不再适用扩散理论不再适用.电电子在子在势垒势垒区区的的碰碰撞可忽略,撞可忽略,势垒势垒高度起作用高度起作用以以n型阻挡层为例,且假定势垒高度型阻挡层为例,且假定势垒高度 电子从金属到半导体所面临的势垒高度电子从金属
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- 半导体 物理 经典 课件 第八 金属 接触
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