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第七章 金属和半导体的接触;本章内容;7.1 金属半导体接触及其能级图;;关于功函数的几点说明:
对金属而言, 功函数Wm可看作是固定的. 功函数Wm标志了电子在金属中被束缚的程度.
对半导体而言, 功函数与掺杂有关
功函数与表面有关.
功函数是一个统计物理量。
;半导体的功函数Ws;
故
其中;半导体功函数与杂质浓度的关系
? n型半导体:
? p型半导体:;7.1.2 接触电势差;金属和半导体间距离D远大于原子间距;随着D的减小
;若D小到可以与原子间距相比较
忽略间隙中电势差的极限情况
;
若WmWs,半导体表面形成正的空间电荷区,电场由体内指向表面,Vs0,形成表面势垒(阻挡层)。
;若WmWs,电子从金属流向半导体,半导体表面形成负的空间电荷区,电场由表面指向体内,Vs0。形成高电导区(反阻挡层)。
;金属与p型半导体接???时,若WmWs,形成空穴的表面势垒。在势垒区,空间电荷主要由电离受主形成,空穴浓度比体内小得多,也是一个高阻区域,形成P型阻挡层。;金属与p型半导体接触时,若WmWs,能带向上弯曲,形成P型反阻挡层。;;7.1.3表面态对接触电势的影响;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,表面处存在一个距离价带顶为qФ0的能级。
电子正好填满qФ0以下所有的表面态时,表面呈电中性。若qФ0以下表面态为空,表面带正电,呈现施主型;
qФ0以上表面态被电子填充,表面带负电,呈现受主型。对于大多数半导体,qФ0约为禁带宽度的三分之一。;若n型半导体存在表面态,费米能级高于qФ0,如果qФ0以上存在有受主型表面态,在EF与qФ0之间的能级将被电子填满,表面带负电。表面附近出现正的空间电荷区,形成电子势垒。势垒高度qVD恰好使表面态上的负电荷与势垒区的正电荷相等。
;若表面态密度很大,只要EF比qФ0高一点,表面态上就会积累很多负电荷。由于能带上弯,表面处EF很接近qФ0,势垒高度就等于原费米能级与qФ0之差,称为被高表面态密度钉扎。
;流向金属的电子由受主表面提供。由于表面态密度很高,半导体势垒区的情形基本不变。
平衡后,半导体EF相对金属EF下降了(Wm-Ws)。空间电荷区的正电荷等于表面受主态留下的负电荷与金属表面负电荷之和。;存在表面态即使不与金属接触,表面也形成势垒。
当半导体的表面态密度很高时,可以屏蔽金属接触的影响,使半导体内的势垒高度和金属的功函数几乎无关,由半导体表面性质决定。
由于表面态密度的不同,紧密接触时,接触电势差将有部分降落在半导体内,金属功函数对表面势垒将产生不同程度的影响,但影响不大。(所以当Wm〈Ws时,也可能形成n型阻挡层);7.2金属半导体接触整流理论;(1)V=0
半导体接触表面能带向上弯,形成n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。;(2)V0
若金属接电源正极,n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
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。;(3)V0
当电源极性接法反过来,外加电压方向和接触表面势方向相同,势垒高度上升,金属流向半导体的电子数占优势,形成从半导体流到金属的反向电流。由于金属中的电子要越过相当高的势垒qФns才能达到半导体,因此反向电流很小。
;当势垒宽度大于电子的平均自由程,电子通过势垒要经过多次碰撞,这样的阻挡层称为厚阻挡层。
扩散理论适用于厚阻挡层。
计算通过势垒的电流时, 必须同时考虑漂移和扩散运动。
势垒区的电势分布是比较复杂的,当势垒高度远大于k0T时,势垒区可近似为一个耗尽层。
;根据边界条件:半导体内部电场为零;以金属费米能级除以-q为电势零点,可得;当V0时,若qVk0T,则
当V0时,若|qV|k0T,则
该理论适用于迁移率较小,平均自由程较短的半导体,如氧化亚铜。
;当n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是势垒宽度。电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数很少一部分,故半导体内的电子浓度可以视为常数。
讨论非简并半导体的情况。 ;针对n型半导体,电流密度
;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
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
JSD与外加电压有关;JST与外加电压无关,强烈依赖温度T。当温度一定,JST随反向电压增加处于饱和状态,称之为反向饱和电流。; ③镜像力和隧道效应的影响;
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