第7章金屬和半導(dǎo)體的接觸

1、第七章第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸7.1 金屬半導(dǎo)體接觸及能級圖金屬半導(dǎo)體接觸及能級圖 1. 金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)金屬中的電子絕大多數(shù)所處的能級都金屬中的電子絕大多數(shù)所處的能級都低于體外能級。低于體外能級。金屬功函數(shù)金屬功函數(shù)的定義的定義: 真空中靜止電子的真空中靜止電子的能量能量 E0 與與 金屬的金屬的 EF 能量之差，即能量之差，即0()mFmWEE上式表示一個起始能量等于費米能級上式表示一個起始能量等于費米能級的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小值。需要的最小值。金屬中的電子勢阱金屬中的電子勢阱0EmWEFWm

2、越大越大, 金屬對電子的束縛越強金屬對電子的束縛越強在半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶底在半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶底 EC 和價帶頂和價帶頂 EV一般都比一般都比 E0 低幾個電子伏特。低幾個電子伏特。半導(dǎo)體功函數(shù)半導(dǎo)體功函數(shù)的定義的定義: 真空中靜止電子的真空中靜止電子的能量能量 E0 與與 半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的 EF 能量之差，即能量之差，即sFsEEW)(0Ws 與雜質(zhì)濃度有關(guān)與雜質(zhì)濃度有關(guān)E0ECEFEV Ws電子的親合能電子的親合能CEE 02.接觸電勢差接觸電勢差EvWssFE )(mW0ECEnEmFE )(半導(dǎo)體的功函數(shù)又寫為半導(dǎo)體的功函數(shù)又寫為nsFCsEEEW)(smWW D（b）間隙很大）間隙很大 (D

3、原子間距原子間距)(msVVqCEnEVEFEmWsW金屬表面負電金屬表面負電半導(dǎo)體表面正電半導(dǎo)體表面正電Vm: 金屬的電勢金屬的電勢Vs : 半導(dǎo)體的電勢半導(dǎo)體的電勢smmsWWVVq)(平衡時平衡時, 無電子的凈流動無電子的凈流動. 相對于相對于(EF)m, 半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的(EF)s下降了下降了qWWVVVmssmms接觸電勢差接觸電勢差:金屬和半導(dǎo)體接觸而產(chǎn)生的電勢差金屬和半導(dǎo)體接觸而產(chǎn)生的電勢差 Vms.（c）緊密接觸）緊密接觸FE)(msVVqnSqmWCEnEVE 半導(dǎo)體表面有空間半導(dǎo)體表面有空間 電荷區(qū)電荷區(qū) 空間電荷區(qū)內(nèi)有電場空間電荷區(qū)內(nèi)有電場 電場造成能帶彎曲電場造成能帶彎

4、曲E+_因表面勢因表面勢 Vs 0能帶向上彎曲能帶向上彎曲qVD接觸電勢差一部分降落在空間電荷區(qū)接觸電勢差一部分降落在空間電荷區(qū), 另一另一部分降落在金屬和半導(dǎo)體表面之間部分降落在金屬和半導(dǎo)體表面之間smsmsVVqWW若若D原子間距原子間距, 電子可自由穿過間隙電子可自由穿過間隙, Vms0, 則接觸電勢差大部分降落在空間電荷區(qū)則接觸電勢差大部分降落在空間電荷區(qū)smsVqWW/ )(FEnSqCEVEnE（d）忽略間隙）忽略間隙qVD半導(dǎo)體一邊的勢壘高度半導(dǎo)體一邊的勢壘高度0,ssmsDVWWqVqV金屬一邊的勢壘高度金屬一邊的勢壘高度mnsmnsnDnsWEWWEqVEqVq 半導(dǎo)體表面形

5、成一個正的空間電荷區(qū)半導(dǎo)體表面形成一個正的空間電荷區(qū) 電場方向由體內(nèi)指向表面電場方向由體內(nèi)指向表面 (VsWs在勢壘區(qū)中，空間電荷主要由電離施主形成，在勢壘區(qū)中，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度要比體內(nèi)小得多，因此它是一個高電子濃度要比體內(nèi)小得多，因此它是一個高阻的區(qū)域，常稱為阻的區(qū)域，常稱為阻擋層阻擋層。Wm0) 半導(dǎo)體表面電子的能量低于體內(nèi)的，能半導(dǎo)體表面電子的能量低于體內(nèi)的，能 帶向下彎曲帶向下彎曲在空間電荷區(qū)中，電子濃度要比體內(nèi)大得多，在空間電荷區(qū)中，電子濃度要比體內(nèi)大得多，因此它是一個高電導(dǎo)的區(qū)域，稱為因此它是一個高電導(dǎo)的區(qū)域，稱為反阻擋層反阻擋層。EcEvEFWs-Wm-Wm金

6、屬和金屬和 n 型半導(dǎo)體接觸能帶圖型半導(dǎo)體接觸能帶圖 (WmWs)反阻擋層薄反阻擋層薄, 高電導(dǎo)高電導(dǎo), 對接觸電阻影響小對接觸電阻影響小能帶向下彎曲能帶向下彎曲, 造成空穴的勢壘造成空穴的勢壘, 形成形成 p 型阻擋層型阻擋層smWW smWW 當金屬與當金屬與 p 型半導(dǎo)體接觸型半導(dǎo)體接觸能帶向上彎曲能帶向上彎曲, 形成形成 p 型反阻擋層型反阻擋層WmEcEvEcEv金屬和金屬和p型半導(dǎo)體接觸能帶圖型半導(dǎo)體接觸能帶圖(a)(b)(a) p型阻擋層型阻擋層(WmWs)PSqPSqsmDWWqVFEFEmsDWWqV形成形成n型和型和p型阻擋層的條件型阻擋層的條件WmWsWm Ws 時，在半

7、導(dǎo)體時，在半導(dǎo)體表面形成一個高阻區(qū)域，叫表面形成一個高阻區(qū)域，叫阻擋層阻擋層有外加有外加 V 時，表面勢為時，表面勢為(Vs)0V無外加無外加 V 時，表面勢為時，表面勢為(Vs)0電子勢壘高度為電子勢壘高度為)(0VVqsV 與與 (Vs)0 同符號時，阻擋層勢壘提高同符號時，阻擋層勢壘提高V 與與 (Vs)0 反符號時，阻擋層勢壘下降反符號時，阻擋層勢壘下降外加電壓對外加電壓對 n 型阻擋層的影響型阻擋層的影響(a) V=0q nsqVD =q(Vs)0外加電壓對外加電壓對 n 型阻擋層的影響型阻擋層的影響(b) V 0q nsqVq(Vs)0+V金屬正，半導(dǎo)體負金屬正，半導(dǎo)體負從半到金的

8、電子數(shù)目增加，從半到金的電子數(shù)目增加，形成從金到半的正向電流，形成從金到半的正向電流，此電流由多子構(gòu)成此電流由多子構(gòu)成V , 勢壘下降越多，勢壘下降越多， 正向電流越大正向電流越大因因 Vs0(c) V 0金屬負，半導(dǎo)體正金屬負，半導(dǎo)體正- qVq nsq(Vs)0+V從半到金的電子數(shù)目減少，從半到金的電子數(shù)目減少，金到半的電子流占優(yōu)勢金到半的電子流占優(yōu)勢形成從半到金的反向電流形成從半到金的反向電流金屬中的電子要越過很高的金屬中的電子要越過很高的勢壘勢壘 q ns，所以反向電流很小，所以反向電流很小q ns不隨不隨V變，所以從金到半的電子流恒定。變，所以從金到半的電子流恒定。V , 反向電流飽

9、和反向電流飽和阻擋層具有整流作用阻擋層具有整流作用對對p型阻擋層型阻擋層0)(0sVV0, 金屬正偏，形成反向電流金屬正偏，形成反向電流1. 厚阻擋層的厚阻擋層的擴散理論擴散理論 對對n型阻擋層，當勢壘的寬度比電子的型阻擋層，當勢壘的寬度比電子的平均自由程大得多時，電子通過勢壘區(qū)要發(fā)平均自由程大得多時，電子通過勢壘區(qū)要發(fā)生多次碰撞。生多次碰撞。當勢壘高度遠大于當勢壘高度遠大于 kT 時，勢時，勢壘區(qū)可近似為一個耗盡層。壘區(qū)可近似為一個耗盡層。厚阻擋層厚阻擋層須同時考慮漂移和擴散須同時考慮漂移和擴散0 xdxq nsEFDsqVqV 00VEn=q n 耗盡層中，載流子極少，雜質(zhì)全電耗盡層中，載

10、流子極少，雜質(zhì)全電離，空間電荷完全由電離雜質(zhì)的電荷形成。離，空間電荷完全由電離雜質(zhì)的電荷形成。這時的泊松方程是這時的泊松方程是若半導(dǎo)體是均勻摻雜的，那么耗盡層中的電若半導(dǎo)體是均勻摻雜的，那么耗盡層中的電荷密度也是均勻的，等于荷密度也是均勻的，等于qND。0)()(rDqNdxxdVxE0rDqN22dxVd0)0(dxx )(dxx )(dxx)(xVnsdrDxxxqN)21(20勢壘寬度勢壘寬度 2/1002DsrdqNVVxV與與(Vs)0同號時，勢壘高度提高，勢壘寬度增大同號時，勢壘高度提高，勢壘寬度增大厚度依賴于外加電壓的勢壘，叫厚度依賴于外加電壓的勢壘，叫肖特基勢壘肖特基勢壘?？紤]

11、漂移和擴散，流過勢壘的電流密度考慮漂移和擴散，流過勢壘的電流密度1expkTqVJJsD kTqVVVqNkTqVVqNkTNDqJDDrDnssrDcnsDexp2exp22/102/100200nqnV0 時，若時，若 qVkT, 則則)exp(kTqVJJsDVkT, 則則sDJJJsD 隨電壓變化，不飽和隨電壓變化，不飽和金屬半導(dǎo)體接觸伏安特性金屬半導(dǎo)體接觸伏安特性VI擴散理論適用于擴散理論適用于遷移率小的半導(dǎo)體遷移率小的半導(dǎo)體 計算超越勢壘的載流子數(shù)目（電流）計算超越勢壘的載流子數(shù)目（電流）就是就是熱電子發(fā)射理論熱電子發(fā)射理論。2. 熱電子發(fā)射理論熱電子發(fā)射理論N型阻擋層很薄時型阻擋

12、層很薄時: 電子的平均自由程遠大于勢壘寬度，電子的平均自由程遠大于勢壘寬度，擴散理論不再適用擴散理論不再適用. 電電子在子在勢壘區(qū)勢壘區(qū)的的碰碰撞可忽略，撞可忽略，勢壘勢壘高度起作用高度起作用以以n型阻擋層為例，且假定勢壘高度型阻擋層為例，且假定勢壘高度kTVqs0)( 電子從金屬到半導(dǎo)體所面臨的勢壘高度電子從金屬到半導(dǎo)體所面臨的勢壘高度不隨外加電壓變化。從金屬到半導(dǎo)體的電不隨外加電壓變化。從金屬到半導(dǎo)體的電子流所形成的電流密度子流所形成的電流密度J m s是個常量，它是個常量，它應(yīng)與熱平衡條件下，即應(yīng)與熱平衡條件下，即V=0時的時的 J s m大小大小相等，方向相反。因此，相等，方向相反。因

13、此，)exp(*20kTqTAJJnsVmSsm有效理查遜常數(shù)有效理查遜常數(shù)32*4hkqmAn熱電子向真空發(fā)射的有效理查遜常數(shù)熱電子向真空發(fā)射的有效理查遜常數(shù))/(12022KcmAA由上式得到總電流密度為：由上式得到總電流密度為：1)exp(1)exp()exp(*2kTqVJTkqVTkqTAJJJsTnssmmSkTqTAJnssTexp2*Ge, Si, GaAs的遷移率高，自由程大，它們的的遷移率高，自由程大，它們的肖特基勢壘中的電流輸運機構(gòu)，主要是多子肖特基勢壘中的電流輸運機構(gòu)，主要是多子的熱電子發(fā)射。的熱電子發(fā)射。熱電子發(fā)射理論得到的伏安特性與擴散理論熱電子發(fā)射理論得到的伏安特

14、性與擴散理論的一致。的一致。3. 鏡象力和隧道效應(yīng)的影響鏡象力和隧道效應(yīng)的影響鍺檢波器的反向特性鍺檢波器的反向特性若電子距金屬表面的距離為若電子距金屬表面的距離為x，則它與感應(yīng)，則它與感應(yīng)正電荷之間的吸引力，相當于該電子與位正電荷之間的吸引力，相當于該電子與位于于(x)處的等量正電荷之間的吸引力，這處的等量正電荷之間的吸引力，這個正電荷稱為個正電荷稱為鏡象電荷鏡象電荷。在金屬在金屬真空系統(tǒng)中，一個在金屬外面的電子，真空系統(tǒng)中，一個在金屬外面的電子，要在金屬表面感應(yīng)出正電荷，同時電子要受到要在金屬表面感應(yīng)出正電荷，同時電子要受到正電荷的吸引。正電荷的吸引。（1）鏡象力的影響）鏡象力的影響+-鏡象

15、電荷電子xnx鏡鏡 象象 電電 荷荷這個吸引力稱為這個吸引力稱為鏡象力鏡象力，它應(yīng)為，它應(yīng)為20220216)2(4xqxqf把電子從把電子從x點移到無窮遠處，電場力所做的功點移到無窮遠處，電場力所做的功xqdxxqfdxx02020216116半導(dǎo)體和金屬接觸時，在耗盡層中，選半導(dǎo)體和金屬接觸時，在耗盡層中，選(EF)m為勢能零點，由于鏡像力的作用，電子的勢能為勢能零點，由于鏡像力的作用，電子的勢能20202022116)(16xxxNqqxqxqVxqdrDnsrrqqns(EF)m0無鏡象力有鏡象力xm鏡象勢能平衡時鏡象力對勢壘的影響平衡時鏡象力對勢壘的影響x電勢能在電勢能在 xm 處出

16、現(xiàn)極大值，這個極大處出現(xiàn)極大值，這個極大值發(fā)生在作用于電子上的鏡象力和電場值發(fā)生在作用于電子上的鏡象力和電場力相平衡的地方，即力相平衡的地方，即若若 , 從上式得到從上式得到)(16002202mdrDmrxxNqxq2/10)(41dDmXNxmdxx0勢壘頂向內(nèi)移動，并且引起勢壘的降低勢壘頂向內(nèi)移動，并且引起勢壘的降低 q 。勢能的極大值小于勢能的極大值小于qns。這說明，鏡象力使。這說明，鏡象力使平衡時，平衡時， q 很小，可忽略很小，可忽略外加電壓非平衡時，外加電壓非平衡時， 勢壘極大值所對應(yīng)的勢壘極大值所對應(yīng)的x值值2/1)(41dDmXNx當反向電壓較高時，勢壘的降低變得明顯，當反

17、向電壓較高時，勢壘的降低變得明顯，鏡象力的影響顯得重要。鏡象力的影響顯得重要。勢壘的降低量勢壘的降低量4VNqxmNqqDrDdmrD鏡象力所引起的勢壘降低量隨反向電壓的增加鏡象力所引起的勢壘降低量隨反向電壓的增加而緩慢地增大而緩慢地增大kTqVVVqNJDDrDsDexp22/10不考慮鏡像力的影響時不考慮鏡像力的影響時考慮鏡像力的影響時考慮鏡像力的影響時JsD中的中的kTqVD/exp 變?yōu)樽優(yōu)閗TVqD/expV , JsD （2）隧道效應(yīng)的影響）隧道效應(yīng)的影響能量低于勢壘頂?shù)碾娮佑幸欢ǜ怕蚀┻^勢壘，能量低于勢壘頂?shù)碾娮佑幸欢ǜ怕蚀┻^勢壘，穿透的概率與電子能量和

18、勢壘厚度有關(guān)穿透的概率與電子能量和勢壘厚度有關(guān)隧道效應(yīng)的簡化模型隧道效應(yīng)的簡化模型對于一定能量的電子，存在一個臨界勢壘厚度對于一定能量的電子，存在一個臨界勢壘厚度xc,若若 xdxc, 則電子完全不能穿過勢壘；則電子完全不能穿過勢壘；若若 xdxc, 則勢壘對于電子完全透明，即勢壘降低了則勢壘對于電子完全透明，即勢壘降低了.金屬一邊的有效勢壘高度為金屬一邊的有效勢壘高度為 -qV(x), 若若xcxdcDrDnscdrDnscxVVNqqxxNqqxqV2/103022)(隧道效應(yīng)引起的勢壘降低為隧道效應(yīng)引起的勢壘降低為cDrDxVVNq2/1032反向電壓較高時，勢壘的降低才明顯反向電壓較高

19、時，勢壘的降低才明顯鏡像力和隧道效應(yīng)對反向特性影響顯著鏡像力和隧道效應(yīng)對反向特性影響顯著 引起勢壘高度的降低，使反向電流增加引起勢壘高度的降低，使反向電流增加 反向電壓越大，勢壘降低越顯著，反向電壓越大，勢壘降低越顯著， 反向電流越大反向電流越大4.肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管的正向電流，主要是肖特基勢壘二極管的正向電流，主要是由半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子進入金屬形成由半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子進入金屬形成的，此二極管將有較低的正向?qū)妷?，的，此二極管將有較低的正向?qū)妷?，一般為一般?3V左右，且有更好的高頻特性。左右，且有更好的高頻特性。利用金屬半導(dǎo)體整流接觸特性制成的二極管利

20、用金屬半導(dǎo)體整流接觸特性制成的二極管 73 少數(shù)載流子的注入少數(shù)載流子的注入 和歐姆接觸和歐姆接觸1 少數(shù)載流子的注入少數(shù)載流子的注入 N型半導(dǎo)體的勢壘和阻擋層都是對電子型半導(dǎo)體的勢壘和阻擋層都是對電子而言，由于空穴所帶電荷與電子電荷符號而言，由于空穴所帶電荷與電子電荷符號相反，相反，電子的阻擋層就是空穴的積累層電子的阻擋層就是空穴的積累層。空穴的濃度在表面最大空穴的濃度在表面最大kTqVppDexp)0(0 空穴電流的大小，首先決定于阻擋層中空穴電流的大小，首先決定于阻擋層中的空穴濃度。只要勢壘足夠高，靠近接觸的空穴濃度。只要勢壘足夠高，靠近接觸面的空穴濃度就可以很高。面的空穴濃度就可以很高

21、。空穴自表面向內(nèi)部擴散。正偏時，勢壘降低，空穴自表面向內(nèi)部擴散。正偏時，勢壘降低，空穴擴散占優(yōu)勢，形成的電流與電子電流同向?？昭〝U散占優(yōu)勢，形成的電流與電子電流同向。Ec(0)Ev(0)EcEFEvN型反型層中的載流子濃度型反型層中的載流子濃度如果在接觸面附近，費米能級和價帶頂?shù)娜绻诮佑|面附近，費米能級和價帶頂?shù)木嚯x距離DqV)()0(FCVFEEEE則則 p(0) 值應(yīng)和值應(yīng)和 n0 值相近，值相近，n(0)也近似等于也近似等于p0勢壘中空穴和電子所處的情況幾乎完全相勢壘中空穴和電子所處的情況幾乎完全相同，只是空穴的勢壘頂在阻擋層的內(nèi)邊界。同，只是空穴的勢壘頂在阻擋層的內(nèi)邊界。 在加正向電壓時，空穴將流向半導(dǎo)體，但在加正向電壓時，空穴將流向半導(dǎo)體，但它們并不能立即復(fù)合，必然要在阻擋層內(nèi)界它們并不能立即復(fù)合，必然要在阻擋層內(nèi)界形成一定的積累，然后再依靠擴散運動繼續(xù)形成一定的積累，然后再依靠擴散運動繼續(xù)進入半導(dǎo)體內(nèi)部。進入半導(dǎo)體內(nèi)部。(EF)mEc積累擴散少數(shù)少數(shù)載流載流子的子的積累積累上圖說明這種積累的效果顯然是阻礙空穴上圖說明這種積累的效果顯然是阻礙空穴的流動。因此，空穴對電流貢獻的大小還的流動