半导体物理(第七章)

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 真空中静止电子的能量。表示电子跑出材料外真空中静止电子的能量。表示电子跑出材料外 进入真空中所必须具有的进入真空中所必须具有的最低能量。最低能量。它对所有的它对所有的 材料都是相同的。材料都是相同的。 (一一) 真空能级真空能级E0 指将一个电子从指将一个电子从费米能级费米能级转移到转移到真空能级真空能级所需所需 的能量。其大小标志着的能量。其大小标志着束缚电子的强弱，束缚电子的强弱，功函数功函数 越大，电子越不容易离开材料。越大，电子越不容易离开材料。 (二二) 功函数功函

2、数 l金属功函数金属功函数 (表示一个起始能量等于费米能级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的最小能的电子，由金属内部逸出到真空中所需的最小能 量。量。) mFm EEW)( 0 金属中的电子势阱金属中的电子势阱 金属中金属中的电子虽然能在金属的电子虽然能在金属中自由中自由运动，运动，但但绝大多数所处绝大多数所处 的能级都低于体外能级的能级都低于体外能级。要使电子从金属中逸出要使电子从金属中逸出，必须必须由由 外界给它以足够的能量外界给它以足够的能量。所以，所以，金属金属内部的电内部的电子是在子是在一个一个 势阱势阱中中运动。运动。 金属功函数随金属功函数随原子序

3、数的递增原子序数的递增呈现周期性变化，功呈现周期性变化，功 函数的大小显示出金属中电子离开金属表面成为自由函数的大小显示出金属中电子离开金属表面成为自由 电子的难以程度，电子的难以程度，功函数大的金属稳定性也较强。功函数大的金属稳定性也较强。 关于功函数的几点说明关于功函数的几点说明: 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 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. 功函功函 数数Wm标志了电子在金属中被束缚的程度标志了电子在金属中被束缚的程度. 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. l半导体功函

4、数半导体功函数 0sFs WEE c EE 0 nsFcs EEEW)( () ncFs EEE 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 其中其中 故故 对半导体，电子对半导体，电子 亲和能亲和能是固定是固定 的，功函数与掺的，功函数与掺 杂有关。杂有关。 电子亲和能电子亲和能 （指将一个电子从（指将一个电子从导带导带 底底转移到真空能级所需的能量。它因转移到真空能级所需的能量。它因 材料的种类而异，决定于材料的种类而异，决定于材料本身的材料本身的 性质，性质，和其它外界因素无关）和其它外界因素无关） 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

5、半导体接触为例（假设型半导体接触为例（假设WmWsWmWs）, ,假假 设有共同的真空静止电子能级。设有共同的真空静止电子能级。 l接触前接触前 mFsF EE)()(接触前： l金属和半导体间金属和半导体间距离距离D D远大于原子间距，远大于原子间距，电势电势 差主要落在界面间隙中。差主要落在界面间隙中。 l + - - - - - =W=WM M-W-WS S 半导体表面出半导体表面出 现空间电荷区现空间电荷区 金属电势降低，半导体电势升金属电势降低，半导体电势升 高，最终达到平衡状态，具有统高，最终达到平衡状态，具有统 一的费米能级。一的费米能级。 l随着随着D D的减小，电势差同时落在

6、两界面间的减小，电势差同时落在两界面间 及半导体表面的及半导体表面的空间电荷区空间电荷区内。内。 sms ms VV q WW V VS S是半导体表面与内部之间存是半导体表面与内部之间存 在的电势差，即为在的电势差，即为表面势。表面势。 半导体表面半导体表面 出现空间电出现空间电 荷区荷区 电场电场 随着距离减小，金属一侧半随着距离减小，金属一侧半 导体表面正电荷密度增加，由导体表面正电荷密度增加，由 于半导体中自由电荷密度的限于半导体中自由电荷密度的限 制，这些正电荷分布在半导体制，这些正电荷分布在半导体 表面相当厚的一层表面层内，表面相当厚的一层表面层内， 即即空间电荷区。空间电荷区。

7、l若若D D小到可以与原子间距相比较，电势差小到可以与原子间距相比较，电势差全部落在半全部落在半 导体表面的空间电荷区内。导体表面的空间电荷区内。 Ds ms VV q WW 电场电场 V VS S00 在半导体表面形成一个正的空间电荷区，其中电场方在半导体表面形成一个正的空间电荷区，其中电场方 向由体内指向表面，向由体内指向表面，Vs0V0 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，型半导体接电源负极， 则外加电压主要降落在则外加电压主要降落在阻挡层阻挡层上，外电压方向上，外电压方向 由金属指向半导体，由金属指向半导体，外加电压方向和接触表面外加电压方向和接触表面 势方向

8、势方向( (半导体表面空间电荷区内电场半导体表面空间电荷区内电场) )相反，相反， 使势垒高度下降，电子顺利的流过降低了的势使势垒高度下降，电子顺利的流过降低了的势 垒。垒。 从半导体流向金属的电子数超过从金属流向半导体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，形成从金属流向半导体的正向电流。的电子数，形成从金属流向半导体的正向电流。 内电场方向内电场方向 外电场方向外电场方向 l（3 3）V0V0V0时，若时，若qVqVkk0 0T T，则，则 l当当V0Vk|k0 0T T，则，则 )exp( 0T k qV JJ sD sD JJ 该理论是用于迁移率较小，平均自由程较短的半

9、该理论是用于迁移率较小，平均自由程较短的半 导体，如氧化亚铜。导体，如氧化亚铜。 l热电子发射理论热电子发射理论 l当当n n型阻挡层很薄，电子平均自由程远大于势垒型阻挡层很薄，电子平均自由程远大于势垒 宽度。宽度。起作用的是势垒高度而不是势垒宽度，起作用的是势垒高度而不是势垒宽度，电电 流的计算归结为超越势垒的载流子数目。流的计算归结为超越势垒的载流子数目。 假定，由于越过势垒的电子数只占半导体总电子假定，由于越过势垒的电子数只占半导体总电子 数很少一部分，故数很少一部分，故半导体内的电子浓度可以视为半导体内的电子浓度可以视为 常数，常数，而与电流无关。而与电流无关。 讨论非简并半导体的情况

10、。讨论非简并半导体的情况。 l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，有较大有较高的载流子迁移率，有较大 的平均自由程，因此在室温下主要是多数载流子的的平均自由程，因此在室温下主要是多数载流子的 热电子发射。热电子发射。 l两种理论结果表示的阻挡层电流与外加电压变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，体现了电导非对称性化关系基本一致

11、，体现了电导非对称性正正 向电压，电流随电压指数增加；反向电压，电向电压，电流随电压指数增加；反向电压，电 流基本不随外加电压而变化流基本不随外加电压而变化 lJ 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，强烈 与外加电压无关，强烈 依赖温度依赖温度T T。当温度一定，。当温度一定，J JST ST随反向电压增加 随反向电压增加 处于饱和状态，称之为处于饱和状态，称之为反向饱和电流。反向饱和电流。 l隧道效应的影响隧道效应的影响 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

12、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。这就是所谓反射。这就是所谓微粒子的隧道效应。微粒子的隧道效应。 结论：结论：只有在反向电压较高时，电子的动能较大，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。 7.2.3 7.2.3 肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管利用金属利用金属- -半导体整流接触特性制成半导体整流接触特性制成 的二极管。的二极管。 与与pnpn结的相同点结的相

13、同点： 单向导电性。单向导电性。 与与pnpn结的不同点结的不同点： pnpn结正向电流为结正向电流为非平衡少子非平衡少子扩散形成的电流扩散形成的电流, ,有显著的电荷有显著的电荷 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多数 载流子载流子进入金属形成的，是多子器件，无积累，因此高频特进入金属形成的，是多子器件，无积累，因此高频特 性更好。性更好。 肖特基二极管肖特基二极管JsDJsD和和JsTJsT比比pnpn结反向饱和电流结反向饱和电流JsJs大得多，大得多， 因此对于同样的使用电流，肖特基二极管有因此对于同样的使用电流，肖特基二

14、极管有较低的正向导通较低的正向导通 电压。电压。 ln n型阻挡层，体内电子浓度为型阻挡层，体内电子浓度为 n n0 0，接触面处的电子浓度是，接触面处的电子浓度是 )exp()0( 0 0 Tk qV nn D )exp()0( 0 0 Tk qV pp D l电子的阻挡层就是电子的阻挡层就是空穴积累层。空穴积累层。 在势垒区，空穴的浓度在表面处在势垒区，空穴的浓度在表面处 最大。体内空穴浓度为最大。体内空穴浓度为p p0 0，则表面，则表面 浓度为浓度为 7.3 7.3 少数载流子的注入和欧姆接触少数载流子的注入和欧姆接触 7.3.1 7.3.1 少数载流子的注入少数载流子的注入 l平衡时

15、，空穴的扩散运动和由于内电场产生的漂平衡时，空穴的扩散运动和由于内电场产生的漂 移运动相等，净电流为零。移运动相等，净电流为零。 加正压时，势垒降低，除了前面所提到的电子形加正压时，势垒降低，除了前面所提到的电子形 成的电子流以外，成的电子流以外，空穴的扩散运动占优，空穴的扩散运动占优，形成自金形成自金 属向半导体内部的空穴流，形成的电流与电子电流属向半导体内部的空穴流，形成的电流与电子电流 方向一致，因此总的正向电流包含电子流和少数载方向一致，因此总的正向电流包含电子流和少数载 流子空穴流。流子空穴流。 空穴电流大小，取决于阻挡层的空穴电流大小，取决于阻挡层的空穴浓度和空穴空穴浓度和空穴 进

16、入半导体内扩散的效率。进入半导体内扩散的效率。 l平衡时，如果接触面处有平衡时，如果接触面处有 )()0( FcvF EEEE 此时若有外加电压，空穴电流的贡此时若有外加电压，空穴电流的贡 献就很重要了。献就很重要了。 势垒中空穴和电子所处的势垒中空穴和电子所处的 情况几乎完全相同，只是空情况几乎完全相同，只是空 穴的势垒顶在阻挡层的内边穴的势垒顶在阻挡层的内边 界。界。 l加正电压时，势垒两加正电压时，势垒两 边界处的电子浓度将边界处的电子浓度将 保持平衡值，而空穴保持平衡值，而空穴 先在阻挡层内界形成先在阻挡层内界形成 积累，然后再依靠扩积累，然后再依靠扩 散运动继续进入半导散运动继续进入

17、半导 体内部。体内部。 l综上，在金属和综上，在金属和n n型半导体的整流接触上加正向型半导体的整流接触上加正向 电压时，就有空穴从金属流向半导体，这种现象电压时，就有空穴从金属流向半导体，这种现象 称为称为少数载流子的注入少数载流子的注入。 2 *2 0 /() exp iPP pPPn nP nS D qnJD JJJJJ JLq N A T k T l加正向电压时，少数载流子电流与总电流值比称为加正向电压时，少数载流子电流与总电流值比称为 少数载流子的注入比，用少数载流子的注入比，用表示。对表示。对n n型阻挡层而言型阻挡层而言. . 7.3.2 7.3.2 欧姆接触欧姆接触 l金属与半

18、导体形成的金属与半导体形成的非整流接触，非整流接触，这种接触不这种接触不 产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部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。的平衡载流子浓度发生显著的变化。理想欧姆理想欧姆 接触的接触电阻接触的接触电阻与半导体样品或器件相比应当与半导体样品或器件相比应当 很小。很小。 实现实现 反阻挡层没有整流作用，选用合适的金属反阻挡层没有整流作用，选用合适的金属 材料，可能得到欧姆接触。材料，可能得到欧姆接触。但由于常见半导体但由于常见半导体 材料一般都有很高的表面态密度，材料一般都有很高的表面态密度，因此很难用因此很难用 选择金属材料的办法

19、来获得欧姆接触。选择金属材料的办法来获得欧姆接触。 l重掺杂的半导体重掺杂的半导体与金属接触时，则势垒宽度变得与金属接触时，则势垒宽度变得 很薄，电子通过隧道效应贯穿势垒产生大隧道电很薄，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为电流的主要流，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姆接触。成分，即可形成接近理想的欧姆接触。 常常是在常常是在n型或型或p型半导体上制作一层重掺杂区域型半导体上制作一层重掺杂区域 后再与金属接触，形成金属后再与金属接触，形成金属-n 或金属或金属-p型结构。型结构。 + 目前，实际生产中，主要利用目前，实际生产中，主要利用隧道效应的原理隧道效应的原理在半导在半导 体上制造欧姆接触。体上制造欧姆接触。 l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 l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 l电子势垒电子势垒 l令令y=d0-xy=d0-x，则，则 1 0 )( Vc V I R 2 0 0 )( 2 )(dx qN xV r D 2 0 0 2 )( 2 )(dx Nq xqV r D 2 2 0 ( ) 2 D r q N qV yy l根据量子力学中的结论，根据量子力学中的结论，x=d