半导体物理经典课件第八章金属半导体接触

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 0 () mFm WEE 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

2、子势阱 0 E m W EF Wm 越大越大, 金属对电子的束缚越强金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 sFs EEW)( 0 Ws 与杂质浓度有关与杂质浓度有关 E0 EC EF EV Ws 电子的亲合能电子的亲合能 C EE 0 2.接触电势差接触电势差 Ev Ws sF E )( m W 0 E C E n E mF E )( 半导体

3、的功函数又写为半导体的功函数又写为 nsFCs EEEW)( sm WW D （b）间隙很大）间隙很大 (D原子间距原子间距) )( ms VVq C E n E V E F E m W s W 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的电势 smms WWVVq )( 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 q WW VVV ms smms 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

4、接触）紧密接触 F E )( ms VVq nS q m W C E n E V E 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 sms ms VV q WW 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 s

5、ms VqWW/ )( F E nS q C E V E n E （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 0, ssmsD VWWqVqV 金属一边的势垒高度金属一边的势垒高度 mnsm nsnDns WEWW EqVEqVq 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。 Wm

6、0) 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。 Ec Ev EF Ws-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 sm WW sm WW 当金属与当金属与 p 型半导体接触型半导体

7、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 Wm Ec Ev Ec Ev 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) (b) (a) p型阻挡层型阻挡层(WmWs) PS q PS q smD WWqV F E F E msD WWqV 形成形成n型和型和p型阻挡层的条件型阻挡层的条件 WmWs Wm 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 )( 0 VVq s

8、 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=0 q ns qVD =q(Vs)0 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 (b) V 0 q ns qV q(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 Vs

9、0 (c) V 0 金属负，半导体正金属负，半导体正 - qV q ns q(Vs)0+V 从半到金的电子数目减少，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 0)( 0 s V 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

10、的厚阻挡层的扩散理论扩散理论 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 xd x q ns EF Ds qVqV 0 0 V En=q 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

11、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 )( )( r D qN dx xdV xE 0 r D qN 2 2 dx Vd 0 )0( d xx )( d xx )( d xx )(xVnsd r D xxx qN ) 2 1 ( 2 0 势垒宽度势垒宽度 2/1 00 2 D sr d qN VV x 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

12、势垒的电流密度考虑漂移和扩散，流过势垒的电流密度 1exp kT qV JJ sD kT qV VV qN kT q VV qN kT NDq J D D r D ns s r Dcn sD exp 2 exp 2 2/1 0 2/1 0 0 2 00n qn V0 时，若时，若 qVkT, 则则 )exp( kT qV JJ sD VkT, 则则 sD JJ JsD 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 V I 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

13、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. 电电子在子在势垒区势垒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 kTVq s 0 )( 电子从金属到半导体所面临的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子流所形成的电流密度J m s是个常量，它是个常量，它 应与

14、热平衡条件下，即应与热平衡条件下，即V=0时的时的 J s m大小大小 相等，方向相反。因此，相等，方向相反。因此， )exp(* 2 0 kT q TA JJ ns VmSsm 有效理查逊常数有效理查逊常数 3 2* * 4 h kqm A n 热电子向真空发射的有效理查逊常数热电子向真空发射的有效理查逊常数 )/(120 22 KcmAA 由上式得到总电流密度为：由上式得到总电流密度为： 1)exp( 1)exp()exp(* 2 kT qV J Tk qV Tk q TA JJJ sT ns smmS kT q TAJ ns sT exp 2* Ge, Si, GaAs的迁移率高，自由程

15、大，它们的的迁移率高，自由程大，它们的 肖特基势垒中的电流输运机构，主要是多子肖特基势垒中的电流输运机构，主要是多子 的热电子发射。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热电子发射理论得到的伏安特性与扩散理论 的一致。的一致。 3. 镜象力和隧道效应的影响镜象力和隧道效应的影响 锗检波器的反向特性锗检波器的反向特性 若电子距金属表面的距离为若电子距金属表面的距离为x，则它与感应，则它与感应 正电荷之间的吸引力，相当于该电子与位正电荷之间的吸引力，相当于该电子与位 于于(x)处的等量正电荷之间的吸引力，这处的等量正电荷之间的吸引力，这 个正电荷称为个正电荷称为镜象电荷镜象电荷。

16、在金属在金属真空系统中，一个在金属外面的电子，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。正电荷的吸引。 （1）镜象力的影响）镜象力的影响 + - 镜象电荷 电子 xnx 镜镜 象象 电电 荷荷 这个吸引力称为这个吸引力称为镜象力镜象力，它应为，它应为 2 0 2 2 0 2 16)2(4x q x q f 把电子从把电子从x点移到无穷远处，电场力所做的功点移到无穷远处，电场力所做的功 x q dx x q fdx x 0 2 0 2 0 2 16 1 16 半导体和金属接触时，在耗尽层中，选半导体和金属接

17、触时，在耗尽层中，选(EF)m 为势能零点，由于镜像力的作用，电子的势能为势能零点，由于镜像力的作用，电子的势能 2 0 2 0 2 0 2 2 1 16 )( 16 xxx Nq q x q xqV x q d r D ns r r q qns (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平衡时镜象力对势垒的影响 x 电势能在电势能在 xm 处出现极大值，这个极大处出现极大值，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，即力相平衡的地方，即 若若 , 从上式得到从上式得到 )( 16 0 0 2 2 0 2 m

18、d r D mr xx Nq x q 2/1 0 )(4 1 dD m XN x md xx 0 势垒顶向内移动，并且引起势垒的降低势垒顶向内移动，并且引起势垒的降低 q 。 势能的极大值小于势能的极大值小于qns。这说明，镜象力使。这说明，镜象力使 平衡时，平衡时， q 很小，可忽略很小，可忽略 外加电压非平衡时，外加电压非平衡时， 势垒极大值所对应的势垒极大值所对应的x值值 2/1 )(4 1 dD m XN x 当反向电压较高时，势垒的降低变得明显，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。镜象力的影响显得重要。 势垒的降低量势垒的降低量 4/1 3 0 32 7 0

19、 2 2 4 1 VV Nq xm Nq q D r D dm r D 镜象力所引起的势垒降低量随反向电压的增加镜象力所引起的势垒降低量随反向电压的增加 而缓慢地增大而缓慢地增大 kT qV VV qN J D D r D sD exp 2 2/1 0 不考虑镜像力的影响时不考虑镜像力的影响时 考虑镜像力的影响时考虑镜像力的影响时 JsD中的中的kTqVD/exp 变为变为 kTVq D /exp V , JsD （2）隧道效应的影响）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，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穿透的概率与电子能量和势垒厚

20、度有关 隧道效应的简化模型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对于一定能量的电子，存在一个临界势垒厚度xc, 若若 xdxc, 则电子完全不能穿过势垒；则电子完全不能穿过势垒； 若若 xdxc, 则势垒对于电子完全透明，即势垒降低了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金属一边的有效势垒高度为 -qV(x), 若若xcxd cD r D ns cd r D nsc xVV Nq q xx Nq qxqV 2/1 0 3 0 2 2 )( 隧道效应引起的势垒降低为隧道效应引起的势垒降低为 cD r D xVV Nq 2/1 0 3 2 反向电压较

21、高时，势垒的降低才明显反向电压较高时，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，反向电压越大，势垒降低越显著， 反向电流越大反向电流越大 4.肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 肖特基势垒二极管的正向电流，主要是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，的，此二极管将有较低的正向导通电压， 一般为一般为03V左右，且有更好的高频特性。左右，且有更好的高频

22、特性。 利用金属半导体整流接触特性制成的二极管利用金属半导体整流接触特性制成的二极管 3 少数载流子的注入少数载流子的注入 和欧姆接触和欧姆接触 1 少数载流子的注入少数载流子的注入 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而言，由于空穴所带电荷与电子电荷符号 相反，相反，电子的阻挡层就是空穴的积累层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的浓度在表面最大 kT qV pp D exp)0( 0 空穴电流的大小，首先决定于阻挡层中空穴电流的大小，首先决定于阻挡层中 的空穴浓度。只要势垒足够高，靠近接触的空穴浓度。只

23、要势垒足够高，靠近接触 面的空穴浓度就可以很高。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。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如果在接触面附近，费米能级和价带顶的 距离距离 D qV )()0( FCVF EEEE 则则 p(0) 值应和值应和 n0 值相近，值相近，n(0)也近似等于也近似等于p0 势垒中空穴和电子所处的情况几乎完全相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。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。进入半导体内部。 (EF)m Ec 积累 扩散 少数少数 载流载流 子的子的 积累积累 上图说明这种积累的效果显