第八章金属半导体接触.ppt

重掺杂的P-N结可以产生显著的隧道电流。金属和半导体接触时，如果半导体掺杂浓度很高，则势垒区宽度变得很薄，电子也要通过隧道效应贯穿势垒产生相当大的隧道流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分。 利用隧道效应的原理在半导体上制造欧姆接触 当隧道电流占主导地位时，它的接触电阻可以很小，可以用作欧姆接触。 (c) V 0 金属负，半导体正 q?ns －q[(Vs)0+V] 从半到金的电子数目减少， 金到半的电子流占优势 形成从半到金的反向电流 金属中的电子要越过很高的 势垒 q?ns，所以反向电流很小 q?ns不随V变，所以从金到半的电子流恒定。 V?, 反向电流饱和 - qV 阻挡层具有整流作用 对p型阻挡层 V0, 金属负偏，形成从半向金的正向电流 V0, 金属正偏，形成反向电流 1. 厚阻挡层的扩散理论 对n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生多次碰撞。 当势垒高度远大于 kT 时，势 垒区可近似为一个耗尽层。 厚阻挡层 须同时考虑漂移和扩散 0 xd x q?ns EF 0 0 V En=q?n 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。 这时的泊松方程是 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qND。 { 0 – 势垒宽度 V与(Vs)0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，叫肖特基势垒。 考虑漂移和扩散，流过势垒的电流密度 V0 时，若 qVkT, 则 V0 时，若 ?qV? kT, 则 JsD 随电压变化，不饱和 金属半导体接触伏安特性 V I 扩散理论适用于 迁移率小的半导体 计算超越势垒的载流子数目（电流）就是热电子发射理论。 2. 热电子发射理论 N型阻挡层很薄时: ?电子的平均自由程远大于势垒宽度， 扩散理论不再适用. ?电子在势垒区的碰撞可忽略，势垒高度起作用 以n型阻挡层为例，且假定势垒高度 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子流所形成的电流密度J m ? s是个常量，它应与热平衡条件下，即V=0时的 J s ? m大小相等，方向相反。因此， 有效理查逊常数 热电子向真空发射的有效理查逊常数 由上式得到总电流密度为： Ge, Si, GaAs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 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 的一致。 扩散理论 3. 镜象力和隧道效应的影响 （金－半接触整流器的伏安特性） 锗检波器的反向特性 若电子距金属表面的距离为x，则它与感应正电荷之间的吸引力，相当于该电子与位于(–x)处的等量正电荷之间的吸引力，这个正电荷称为镜像电荷。 在金属–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，同时电子要受到正电荷的吸引。 （1）镜像力的影响 + - 镜像电荷 电子 –x′ n x 镜 像 电 荷 这个吸引力称为镜像力，它应为 把电子从x点移到无穷远处，电场力所做的功 半导体和金属接触时，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 qΔΦ qΦns (EF)m 0 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 x 电势能在 xm 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力相平衡的地方，即 若 , 从上式得到 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qΦns。这说明，镜象力使 平衡时， q ? ? 很小，可忽略 外加电压非平衡时， 势垒极大值所对应的x值 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。 势垒的降低量 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 不考虑镜像力的影响时 考虑镜像力的影响时 JsD中的 变为 JsD ? V ?, ? （2）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， 穿透的概率与电子能量和势垒厚度有关 隧道效应的简化模型 对一定能量的电子，存在一个临界势垒厚度xc, 若 xdxc, 则电子完全不能穿过势垒； 若 xdxc, 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 -qV(x), 若xcxd 隧道效应引起的势垒降低为 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 ?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， 反向电流越大 4.肖特基势垒二极管 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的，此二极管将有较低的正向导通电压，一般为0