1、第七章金屬與半導(dǎo)體的接觸，本章內(nèi)容，金屬與半導(dǎo)體的接觸(4小時(shí))金屬與半導(dǎo)體的接觸及其能級(jí)圖；少數(shù)載流子注入和歐姆接觸。重點(diǎn)：金屬與半導(dǎo)體接觸的能帶圖，少數(shù)載流子的注入過(guò)程和歐姆接觸的必要條件。7.1金屬-半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖，金屬功函數(shù)，7.1.1金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)，雖然金屬中的電子可以在金屬中自由移動(dòng)，但它們中的大多數(shù)都處于比體外低的能級(jí)。金屬的功函數(shù)隨著原子序數(shù)的增加而周期性變化。關(guān)于功函數(shù)：的一些解釋對(duì)于金屬來(lái)說(shuō)，功函數(shù)Wm可以看作是固定的。功函數(shù)Wm標(biāo)志著金屬中電子結(jié)合的程度。對(duì)于半導(dǎo)體，功函數(shù)與摻雜有關(guān)。功函數(shù)與表面有關(guān)。功函數(shù)是一個(gè)統(tǒng)計(jì)物理量。半導(dǎo)體的功函數(shù)Ws、E0和費(fèi)米能級(jí)

2、之差稱為半導(dǎo)體的功函數(shù)。Ec，(EF)s，Ev，E0，Ws，表示從Ec到E0的能量間隔，而是電子的親和能，它表示半導(dǎo)體導(dǎo)帶底部的電子從體內(nèi)逃逸所需的最小能量。對(duì)于半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，電子親和力是固定的，功函數(shù)與摻雜有關(guān)，而半導(dǎo)體功函數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系N型半導(dǎo)體： p型半導(dǎo)體：7.1.2接觸電勢(shì)差，假設(shè)有一種金屬和一種N型半導(dǎo)體，并且金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)，也就是說(shuō)，在接觸之前：Ev、E0、ws、en、WM、(ef) m，金屬與半導(dǎo)體之間的距離d遠(yuǎn)大于原子距離，因?yàn)閃mWs，即EFmWs，在半導(dǎo)體表面上形成正空間電荷區(qū)，并且電場(chǎng)從內(nèi)部指向表面Vs0，形成表面勢(shì)壘(阻擋層)。en，EC，ev，(e

3、f) s，qvd，q ns，WM，能帶向上彎曲形成表面勢(shì)壘。勢(shì)壘區(qū)的電子濃度遠(yuǎn)小于體內(nèi)高阻區(qū)(勢(shì)壘層)。if Wm0。形成高導(dǎo)電性區(qū)域(抗阻擋層)。能帶向下彎曲。這里的電子濃度比體內(nèi)的要大得多，所以它是一個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，叫做抗阻擋層。En，Ec，Ev，(EF)s，qVD，X-Wm，當(dāng)金屬與p型半導(dǎo)體接觸時(shí)，如果是WmWs，能帶向上彎曲形成p型抗阻擋層。上述金半接觸模型是肖特基模型：7.1.3表面狀態(tài)對(duì)接觸電勢(shì)的影響。實(shí)驗(yàn)表明，盡管不同金屬的功函數(shù)大不相同，但與半導(dǎo)體接觸時(shí)形成的勢(shì)壘高度卻大不相同。結(jié)果表明，金屬的功函數(shù)對(duì)勢(shì)壘高度沒(méi)有顯著影響。原因：半導(dǎo)體表面有表面狀態(tài)。表面態(tài)分為施主型和受主型

4、。在半導(dǎo)體表面的禁帶中有一定的表面態(tài)分布，在遠(yuǎn)離價(jià)帶頂部的表面有一個(gè)能級(jí)。當(dāng)q 0以下的所有表面態(tài)都被電子填充時(shí)，表面是電中性的。如果q u 0以下的表面態(tài)是空的，則表面帶正電并呈現(xiàn)施主型；q 0以上的表面態(tài)充滿了電子，表面帶負(fù)電荷，顯示出受體類型。對(duì)于大多數(shù)半導(dǎo)體，Q 0大約是帶隙寬度的三分之一。巴丁提出，應(yīng)該考慮在半導(dǎo)體表面有一個(gè)密度相當(dāng)大的表面態(tài)。如果在金屬和半導(dǎo)體之間存在原子線性間隙，表面態(tài)的電荷可以通過(guò)間隙中產(chǎn)生的電勢(shì)差來(lái)限制勢(shì)壘高度。如果N型半導(dǎo)體有表面態(tài)，費(fèi)米能級(jí)高于Q 0。如果在Q 0以上存在受體表面態(tài)，那么在EF和Q 0之間的能級(jí)將被電子填充，并且表面將帶負(fù)電荷。表面附近出現(xiàn)

5、一個(gè)正空間電荷區(qū)，形成一個(gè)電子勢(shì)壘。勢(shì)壘的高度qVD正好使表面態(tài)的負(fù)電荷等于勢(shì)壘區(qū)的正電荷。如果表面態(tài)的密度很大，只要EF高于Q 0，許多負(fù)電荷就會(huì)聚集在表面態(tài)上。由于能帶是彎曲的，表面的電場(chǎng)強(qiáng)度非常接近于Q 0，勢(shì)壘高度等于當(dāng)半導(dǎo)體表面的態(tài)密度很高時(shí)，金屬接觸的影響可以被屏蔽，因此半導(dǎo)體中的勢(shì)壘高度幾乎與金屬的功函數(shù)無(wú)關(guān)，而是由半導(dǎo)體的表面性質(zhì)決定的。由于表面上不同的態(tài)密度，當(dāng)緊密接觸時(shí)，接觸電勢(shì)差將部分落入半導(dǎo)體中，金屬功函數(shù)將對(duì)表面勢(shì)壘產(chǎn)生不同的影響，但影響很小。(因此，當(dāng)WM WS時(shí)，也可以形成N型阻擋層)，7.2金屬半導(dǎo)體接觸整流理論，電導(dǎo)的不對(duì)稱性(整流特性)，器件特性的第一個(gè)條件

6、，即在一個(gè)方向上的電壓作用下的電導(dǎo)與在相反方向上的電壓作用下的電導(dǎo)非常不同：觸點(diǎn)必須在半導(dǎo)體表面上形成阻擋層(形成多個(gè)孩子的接觸阻擋層)，7.2.1整流特性， (1)V=0半導(dǎo)體接觸當(dāng)阻擋層沒(méi)有施加電壓時(shí)，從半導(dǎo)體流到金屬的電子數(shù)等于從金屬流到半導(dǎo)體的電子數(shù)，處于動(dòng)態(tài)平衡，因此沒(méi)有凈電子流通過(guò)阻擋層。 (2)V0如果金屬連接到電源的正極，并且N型半導(dǎo)體連接到電源的負(fù)極，則所施加的電壓的方向從金屬到半導(dǎo)體下降，并且所施加的電壓的方向與接觸表面的電勢(shì)方向相反，使得勢(shì)壘高度減小，并且電子平穩(wěn)地流過(guò)減小的勢(shì)壘。從半導(dǎo)體流向金屬的電子數(shù)量超過(guò)了從金屬流向半導(dǎo)體的電子數(shù)量，形成了從金屬流向半導(dǎo)體的正向電流

7、。(3)當(dāng)3)V0時(shí)，如果是qVk0T，那么當(dāng)Vk0T時(shí)，該理論適用于具有低遷移率和短平均自由程的半導(dǎo)體，例如氧化亞銅。當(dāng)N型勢(shì)壘層較薄時(shí)，電子的平均自由程遠(yuǎn)大于勢(shì)壘的寬度。重要的是障礙的高度，而不是寬度。電流的計(jì)算歸結(jié)為超過(guò)勢(shì)壘的載流子數(shù)量。假設(shè)穿過(guò)勢(shì)壘的電子數(shù)僅占半導(dǎo)體中電子總數(shù)的一小部分，因此半導(dǎo)體中的電子濃度可視為常數(shù)。討論非退化半導(dǎo)體的情況。熱離子發(fā)射理論，針對(duì)N型半導(dǎo)體，電流密度包括理查森常數(shù)、鍺、硅和具有較高的載流子遷移率和較大的平均自由程，因此主要是室溫下大多數(shù)載流子的熱離子發(fā)射。兩個(gè)理論結(jié)果所表達(dá)的勢(shì)壘電流與外加電壓之間的關(guān)系基本相同，這反映了電導(dǎo)的非對(duì)稱直流電壓和電流隨電壓

8、指數(shù)的增大而增大負(fù)電壓和電流基本不隨外加電壓變化，JSD與外加電壓有關(guān)；JST與外加電壓無(wú)關(guān)，但強(qiáng)烈依賴于溫度t。當(dāng)溫度不變時(shí)，JST隨著反向電壓的增加而飽和，稱為反向飽和電流。(3)鏡力和隧道效應(yīng)的影響，鏡力的影響，隧道效應(yīng)當(dāng)微觀粒子想要穿越障礙時(shí)，能量超過(guò)障礙高度的微觀粒子可以穿越障礙，而能量低于障礙高度的粒子也有一定的概率穿越障礙，而其他粒子則被反射。這就是所謂的粒子隧道效應(yīng)。結(jié)論：只有當(dāng)反向電壓較高時(shí)，電子動(dòng)能較大，有效勢(shì)壘高度下降較多，對(duì)反向電流的影響顯著。肖特基勢(shì)壘二極管和pn結(jié)之間的相同點(diǎn)：?jiǎn)蜗驅(qū)щ?。不同于pn結(jié)：(1)多數(shù)載流子器件和少數(shù)載流子器件；(2)無(wú)電荷儲(chǔ)存效應(yīng)和電荷儲(chǔ)

9、存效應(yīng)；(3)良好的高頻特性。(4)正向?qū)妷盒?。肖特基二極管JsD和JsT比pn結(jié)反向飽和電流Js大得多。也就是說(shuō)，肖特基二極管具有較低的正向?qū)妷?。?yīng)用：箝位二極管(提高電路速度)等。n型阻擋層中，主體中的電子濃度為n0，并且接觸表面處的電子濃度是電子的阻擋層或空穴積累層。在勢(shì)壘區(qū)，空穴在表面的濃度最大。當(dāng)當(dāng)加直流電壓時(shí)，少數(shù)載流子電流與總電流值的比值稱為少數(shù)載流子注入比，用表示。當(dāng)施加正電壓時(shí)，勢(shì)壘的兩個(gè)邊界處的電子濃度將保持平衡值，而空穴將在勢(shì)壘層的內(nèi)邊界中累積，然后通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)進(jìn)入半導(dǎo)體。對(duì)于N型阻擋層，7.2.2歐姆接觸的定義不會(huì)產(chǎn)生明顯的附加阻抗，也不會(huì)使半導(dǎo)體中的平衡載流子濃度發(fā)生顯著變化。當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，歐姆接觸上的電壓降應(yīng)該比樣品或器件本身的電壓降小得多，也就是說(shuō)，電流-電壓特性由樣品的電阻或器件的特性決定?？棺钃鯇記](méi)有整流效應(yīng)，但是因?yàn)槠胀ò雽?dǎo)體材料通常具有高的表面狀態(tài)密度，所以難以通過(guò)選擇金屬材料來(lái)獲得歐姆接觸。隧道效應(yīng)：當(dāng)重?fù)诫s半導(dǎo)體與金屬接觸時(shí)，勢(shì)壘的寬度變得非常薄，電子通過(guò)隧道效應(yīng)穿過(guò)勢(shì)壘，產(chǎn)生大的隧道電流，甚至超過(guò)熱離子發(fā)射電流，成為電流的主要成分，從而形成接近理想的歐姆