第七章固态电子

1、第第7 7章章 金属和半导体的接触金属和半导体的接触 7.1 7.1 金属半导体接触及其能级图金属半导体接触及其能级图 7.1.1 7.1.1 金属和半导体的功函数金属和半导体的功函数 n金属功函数金属功函数 mFm EEW)( 0 金属功函数随原子序数的递增呈现周期性变化金属功函数随原子序数的递增呈现周期性变化 7.1 7.1 金属半导体接触及其能级图金属半导体接触及其能级图 7.1.1 7.1.1 金属和半导体的功函数金属和半导体的功函数 n关于功函数的几点说明关于功函数的几点说明: 对金属而言对金属而言, 功函数功函数Wm可看作是固定的可看作是固定的. 功函数功函数Wm标志了电子在金属中

2、被束缚的标志了电子在金属中被束缚的 程度程度. 对半导体而言对半导体而言, 功函数与掺杂有关功函数与掺杂有关 功函数与表面有关功函数与表面有关. 功函数是一个统计物理量功函数是一个统计物理量 n半导体功函数半导体功函数 n电子亲和能电子亲和能 故故 其中其中 0sFs WEE c EE 0 nsFcs EEEW)( () ncFs EEE 7.1 7.1 金属半导体接触及其能级图金属半导体接触及其能级图 7.1.1 7.1.1 金属和半导体的功函数金属和半导体的功函数 对半导体，电子亲和能对半导体，电子亲和能是固定的，功函数与掺杂有关是固定的，功函数与掺杂有关 7.1 7.1 金属半导体接触及

3、其能级图金属半导体接触及其能级图 7.1.1 7.1.1 金属和半导体的功函数金属和半导体的功函数 n半导体功函数与杂质浓度的关系（见表半导体功函数与杂质浓度的关系（见表 7-1 ） n型半导体型半导体: WS=+(EC-EF) p型半导体型半导体: WS=+Eg-(EF-EV) 7.1 7.1 金属半导体接触及其能级图金属半导体接触及其能级图 7.1.2 7.1.2 接触电势差接触电势差 金属与金属与n n型半导体接触为例（型半导体接触为例（WmWsWmWs） n接触前接触前 7.1 7.1 金属半导体接触及其能级图金属半导体接触及其能级图 7.1.2 7.1.2 接触电势差接触电势差 n金

4、属和半导体间距离金属和半导体间距离D D远大于原子间距远大于原子间距 q WW VVV ms smms 7.1 7.1 金属半导体接触及其能级图金属半导体接触及其能级图 7.1.2 7.1.2 接触电势差接触电势差 n随着随着D D的减小的减小 sms ms VV q WW 7.1 7.1 金属半导体接触及其能级图金属半导体接触及其能级图 7.1.2 7.1.2 接触电势差接触电势差 n若若D D小到可以与原子间距相比较小到可以与原子间距相比较 Ds ms VV q WW n若若W Wm mWWs s，半导体表面形成正的空间电荷区，电，半导体表面形成正的空间电荷区，电 场由体内指向表面，场由体

5、内指向表面，V Vs s00。 7.1 7.1 金属半导体接触及其能级图金属半导体接触及其能级图 7.1.2 7.1.2 接触电势差接触电势差 阻挡层阻挡层 反阻挡层反阻挡层 7.1 7.1 金属半导体接触及其能级图金属半导体接触及其能级图 7.1.2 7.1.2 接触电势差接触电势差 n若若W Wm mW00。 反阻挡层反阻挡层 阻挡层阻挡层 7.1 7.1 金属半导体接触及其能级图金属半导体接触及其能级图 7.1.37.1.3表面态对接触电势的影响表面态对接触电势的影响 n实验表明：不同金属的功函数虽然相差实验表明：不同金属的功函数虽然相差 很大，但与半导体接触时形成的势垒高很大，但与半导

6、体接触时形成的势垒高 度却相差很小。度却相差很小。 n原因：半导体表面存在表面态。原因：半导体表面存在表面态。 n表面态分为施主型和受主型。表面态在半导体表面态分为施主型和受主型。表面态在半导体 表面禁带中呈现一定分布，表面处存在一个距表面禁带中呈现一定分布，表面处存在一个距 离价带顶为离价带顶为qq0 0的能级。电子正好填满的能级。电子正好填满qq0 0以以 下所有的表面态时，表面呈电中性。若下所有的表面态时，表面呈电中性。若qq0 0以以 下表面态为空，表面带正电，呈现施主型；下表面态为空，表面带正电，呈现施主型； qq0 0以上表面态被电子填充，表面带负电，呈以上表面态被电子填充，表面带

7、负电，呈 现受主型。对于大多数半导体，现受主型。对于大多数半导体，qq0 0越为禁带越为禁带 宽度的三分之一。宽度的三分之一。 7.1 7.1 金属半导体接触及其能级图金属半导体接触及其能级图 7.1.37.1.3表面态对接触电势的影响表面态对接触电势的影响 n若若n n型半导体存在表面态，费米能级高于型半导体存在表面态，费米能级高于qq0 0，表面态为受，表面态为受 主型，表面处出现正的空间电荷区，形成电子势垒。势垒高主型，表面处出现正的空间电荷区，形成电子势垒。势垒高 度度qVqVD D恰好使表面态上的负电荷与势垒区的正电荷相等。恰好使表面态上的负电荷与势垒区的正电荷相等。 7.1 7.1

8、 金属半导体接触及其能级图金属半导体接触及其能级图 7.1.37.1.3表面态对接触电势的影响表面态对接触电势的影响 n存在表面态即使不与金属接触，表面也存在表面态即使不与金属接触，表面也 形成势垒。形成势垒。 n当半导体的表面态密度很高时，可以屏当半导体的表面态密度很高时，可以屏 蔽金属接触的影响，使半导体内的势垒蔽金属接触的影响，使半导体内的势垒 高度和金属的功函数几乎无关，有半导高度和金属的功函数几乎无关，有半导 体表面性质决定。体表面性质决定。 7.1 7.1 金属半导体接触及其能级图金属半导体接触及其能级图 7.1.37.1.3表面态对接触电势的影响表面态对接触电势的影响 7.27.

9、2金属与半导体接触的电流电压特性金属与半导体接触的电流电压特性 7.2.17.2.1整流特性整流特性 n电导的非对称性（整流特性）电导的非对称性（整流特性） 在某一方向电压作用下的电导与反方向电在某一方向电压作用下的电导与反方向电 压作用下的电导相差悬殊的器件特性压作用下的电导相差悬殊的器件特性 首要条件首要条件：接触必须形成半导体表面的阻挡层：接触必须形成半导体表面的阻挡层 （形成多子的接触势垒）（形成多子的接触势垒） 7.27.2金属与半导体接触的电流电压特性金属与半导体接触的电流电压特性 7.2.17.2.1整流特性整流特性 n（1 1）V=0V=0 半导体接触表面能带向上弯，形成半导体

10、接触表面能带向上弯，形成n n型阻挡层。当阻型阻挡层。当阻 挡层无外加电压作用，从半导体流向金属的电子与从挡层无外加电压作用，从半导体流向金属的电子与从 金属流向半导体的电子数量相等，处于动态平衡，因金属流向半导体的电子数量相等，处于动态平衡，因 而没有净的电子流流过阻挡层。而没有净的电子流流过阻挡层。 7.27.2金属与半导体接触的电流电压特性金属与半导体接触的电流电压特性 7.2.17.2.1整流特性整流特性 n（2 2）V0V0 若金属接电源正极，若金属接电源正极，n n型半导体接电源负极，则外加电压降方向型半导体接电源负极，则外加电压降方向 由金属指向半导体，外加电压方向和接触表面势方

11、向相反，使由金属指向半导体，外加电压方向和接触表面势方向相反，使 势垒高度下降，电子顺利的流过降低了的势垒。从半导体流向势垒高度下降，电子顺利的流过降低了的势垒。从半导体流向 金属的电子数超过从金属流向半导体的电子数，形成从金属流金属的电子数超过从金属流向半导体的电子数，形成从金属流 向半导体的正向电流。向半导体的正向电流。 7.27.2金属与半导体接触的电流电压特性金属与半导体接触的电流电压特性 7.2.17.2.1整流特性整流特性 n（3 3）V0V0V0时，若时，若qVkqVk0 0T T，则，则 n当当V0Vk|qV|k0 0T T，则，则 n该理论是用于迁移率较小，平均自由程较该理论

12、是用于迁移率较小，平均自由程较 短的半导体，如氧化亚铜。短的半导体，如氧化亚铜。 )exp( 0T k qV JJ sD sD JJ 7.27.2金属与半导体接触的电流电压特性金属与半导体接触的电流电压特性 7.2.17.2.1整流特性整流特性 n当当n n型阻挡层很薄，电子平均自由程远大型阻挡层很薄，电子平均自由程远大 于势垒宽度。起作用的是势垒高度而不于势垒宽度。起作用的是势垒高度而不 是势垒宽度。电流的计算归结为超越势是势垒宽度。电流的计算归结为超越势 垒的载流子数目。垒的载流子数目。 n假定，由于越过势垒的电子数只占半导假定，由于越过势垒的电子数只占半导 体总电子数很少一部分，故半导体

13、内的体总电子数很少一部分，故半导体内的 电子浓度可以视为常数。电子浓度可以视为常数。 n讨论非简并半导体的情况。讨论非简并半导体的情况。 7.27.2金属与半导体接触的电流电压特性金属与半导体接触的电流电压特性 7.2.17.2.1整流特性整流特性 n针对针对n n型半导体，电流密度型半导体，电流密度 *2 0 exp() ns sT q JA T k T 0 exp() 1 sT qV JJ k T 其中理查逊常数其中理查逊常数 3 2 0 * * 4 h kqm A n GeGe、SiSi、GaAsGaAs有较高的载流子迁移率，有较大的平有较高的载流子迁移率，有较大的平 均自由程，因此在室

14、温下主要是多数载流子的热电均自由程，因此在室温下主要是多数载流子的热电 子发射。子发射。 n两种理论结果表示的阻挡层电流与外加两种理论结果表示的阻挡层电流与外加 电压变化关系基本一致，体现了电导非电压变化关系基本一致，体现了电导非 对称性对称性 n正向电压，电流随电压指数增加；负向正向电压，电流随电压指数增加；负向 电压，电流基本不随外加电压而变化电压，电流基本不随外加电压而变化 nJ JSD SD与外加电压有关； 与外加电压有关；J JST ST与外加电压无关， 与外加电压无关， 强烈依赖温度强烈依赖温度T T。当温度一定，。当温度一定，J JST ST随反向 随反向 电压增加处于饱和状态，

15、称之为反向饱电压增加处于饱和状态，称之为反向饱 和电流。和电流。 7.27.2金属与半导体接触的电流电压特性金属与半导体接触的电流电压特性 7.2.17.2.1整流特性整流特性 7.27.2金属与半导体接触的电流电压特性金属与半导体接触的电流电压特性 7.2.17.2.1整流特性整流特性 n隧道效应隧道效应 微观粒子要越过一个势垒时，能量超过势垒高微观粒子要越过一个势垒时，能量超过势垒高 度的微粒子，可以越过势垒，而能量低于势垒高度的微粒子，可以越过势垒，而能量低于势垒高 度的粒子也有一定的概率穿过势垒，其他的则被度的粒子也有一定的概率穿过势垒，其他的则被 反射。这就是所谓微粒子的隧道效应。反

16、射。这就是所谓微粒子的隧道效应。 结论：结论：只有在反向电压较高时，电子的动能较只有在反向电压较高时，电子的动能较 大，使有效势垒高度下降较多，对反向电流的影大，使有效势垒高度下降较多，对反向电流的影 响才是显著的响才是显著的 7.27.2金属与半导体接触的电流电压特性金属与半导体接触的电流电压特性 7.2.17.2.1整流特性整流特性 肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 n与与pnpn结的相同点：结的相同点： n单向导电性单向导电性 。 n与与pnpn结的不同点：结的不同点： npnpn结正向电流为非平衡少子扩散形成的电流结正向电流为非平衡少子扩散形成的电流, , 有显著的电荷存储效应；肖特基

17、势垒二极管有显著的电荷存储效应；肖特基势垒二极管 的正向电流主要是半导体多数载流子进入金的正向电流主要是半导体多数载流子进入金 属形成的，是多子器件，无积累，因此高频属形成的，是多子器件，无积累，因此高频 特性更好；特性更好； n肖特基二极管肖特基二极管J JsD sD和 和J JsT sT比 比pnpn结反向饱和电流结反向饱和电流J Js s 大得多。因此肖特基二极管由较低的正向导大得多。因此肖特基二极管由较低的正向导 通电压。通电压。 n用途：钳位二极管用途：钳位二极管( (提高电路速度提高电路速度) )等。等。 7.27.2金属与半导体接触的电流电压特性金属与半导体接触的电流电压特性 7

18、.2.17.2.1整流特性整流特性 7.27.2金属与半导体接触的电流电压特性金属与半导体接触的电流电压特性 7.2.27.2.2少数载流子的注入少数载流子的注入 nn n型阻挡层，体内电子浓度型阻挡层，体内电子浓度 为为n n0 0，接触面处的电子浓度，接触面处的电子浓度 是是 n电子的阻挡层就是空穴积累电子的阻挡层就是空穴积累 层。在势垒区，空穴的浓度层。在势垒区，空穴的浓度 在表面处最大。体内空穴浓在表面处最大。体内空穴浓 度为度为p p0 0，则表面浓度为，则表面浓度为 )exp()0( 0 0 Tk qV nn D )exp()0( 0 0 Tk qV pp D n加正压时，势垒降低

19、，加正压时，势垒降低， 形成自外向内的空穴形成自外向内的空穴 流，形成的电流与电流，形成的电流与电 子电流方向一致。子电流方向一致。 n空穴电流大小，取决空穴电流大小，取决 于阻挡层的空穴浓度。于阻挡层的空穴浓度。 7.27.2金属与半导体接触的电流电压特性金属与半导体接触的电流电压特性 7.2.27.2.2少数载流子的注入少数载流子的注入 n平衡时，如果接触面处有平衡时，如果接触面处有 n此时若有外加电压，此时若有外加电压，p(0)p(0)将超过将超过n n0 0，则空，则空 穴电流的贡献就很重要了。穴电流的贡献就很重要了。 n加正向电压时，少数载流子电流与总电流加正向电压时，少数载流子电流

20、与总电流 值比称为少数载流子的注入比，用值比称为少数载流子的注入比，用表示。表示。 )()0( FcvF EEEE 7.27.2金属与半导体接触的电流电压特性金属与半导体接触的电流电压特性 7.2.27.2.2少数载流子的注入少数载流子的注入 7.27.2金属与半导体接触的电流电压特性金属与半导体接触的电流电压特性 7.2.27.2.2少数载流子的注入少数载流子的注入 n加正电压时，势垒两边界处的电子浓度加正电压时，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成积累，然后再依靠扩散运动继续进入 半导体内部。半导

21、体内部。 n对对n n型阻挡层而言型阻挡层而言 2 *2 0 /() exp iPP pPPn nP nS D qnJD JJJJJ JLq N A T k T 7.27.2金属与半导体接触的电流电压特性金属与半导体接触的电流电压特性 7.2.37.2.3欧姆接触欧姆接触 n定义定义 n不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体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。内部的平衡载流子浓度发生显著的变化。 n实现实现 n反阻挡层没有整流作用，但由于常见半导体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，因此很难材料一般都有很高的表面态密度，

22、因此很难 用选择金属材料的办法来获得欧姆接触。用选择金属材料的办法来获得欧姆接触。 n隧道效应：隧道效应： 重掺杂的半导体与金属接触时，则势垒宽度重掺杂的半导体与金属接触时，则势垒宽度 变得很薄，电子通过隧道效应贯穿势垒产生变得很薄，电子通过隧道效应贯穿势垒产生 大隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成大隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成 为电流的主要成分，即可形成接近理想的欧为电流的主要成分，即可形成接近理想的欧 姆接触。姆接触。 7.27.2金属与半导体接触的电流电压特性金属与半导体接触的电流电压特性 7.2.37.2.3欧姆接触欧姆接触 n接触电阻：零偏压下的微分电阻接触电阻：零偏压下的微分电阻 n把导带底把导带底E Ec c选作电势能的零点，可得选作电势能的零点，可得 1 0 )( Vc V I R 2 0 0 )( 2 )(dx qN xV r D 7.27.2金属与半导体接触的电流电压特性金属与半导体接触的电流电压特性 7.2.37.2.3欧姆接触欧姆接触 n电子的势垒为电子的势垒为 n令令y=dy=d0 0-x-x，则，则 2 0 0 2 )( 2 )(dx Nq xqV r D 2 2 0 ( ) 2 D r q N qV yy 7.27.2金属与半导体接触的电流电压特性金属与半导体接触的电流电压特性 7