第七章金属-半导体接触.ppt

第七章 金属和半导体的接触 若WmWs 金属与n型半导体接触时 这说明： 从能带的角度进行解释基本概念： 表面能级：在半导体表面处的禁带中存在着表面态，对应的能级成为表面能级。 施主型表面态：能级被电子占据时呈电中性，施放电子后呈正电性。 受主型表面态：能级空着时为电中性，施放电子后呈负电性。 实际上： 由于表面态密度的不同，接触电势差部分降落在半导体表面以内，金属功函数会对表面势垒产生影响，但影响不大。 因此即使当WmWs时，也可能形成n型阻挡层。 以n型半导体为例： 阻挡层为高阻区域 —外加电压主要降落在阻挡层 平衡态时：表面势VS0 势垒高度qVD=-qVs 外加正电压：V0 则势垒高度降低为qVD，=-q(Vs+V) 外加一个负电压V0 ，势垒高度增加 （2）理论解释 ①扩散理论 对于n型阻挡层，当势垒的宽度远大于电子平均自由程，电子通过势垒区发生多次碰撞，这样的阻挡层称为厚阻挡层。-------------扩散理论适用于厚阻挡层。 势垒区存在电场，有电势变化，载流子浓度不均匀。 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。 ②热电子发射理论 当n型阻挡层很薄，电子平均自由程远大于势垒宽度时--------扩散理论不适用，电子在势垒区的碰撞可以忽略。 势垒形状不再重要----------势垒的高度起绝对作用。 电流的计算归结为计算超越势垒高度的载流子数目。 其中A*为有效理查逊常数。 热电子发射理论适用于具有较高载流子迁移率（比较大自由程）的半导体---如Si、Ge、GaAs。 ③镜像力和隧道效应的影响 ④肖特基势垒二极管 肖特基势垒二极管： 利用金属-半导体整流接触特性制成的二极管。 肖特基势垒二极管与pn结二极管的区别： （1）多数载流子器件和少数载流子器件 （2）无电荷存贮效应和有电荷存贮效应 （3）高频特性好。 （4）正向导通电压小。 ②欧姆接触 定义：不产生明显的附加阻抗，不会使半导体内部载流子浓度发生显著改变。 技术路线设计： 反阻挡层？ 隧道效应？ 半导体在重掺杂时，和金属的接触可以形成接近理想的欧姆接触。 在半导体上制作一层重掺杂区后再与金属接触。 思考题： 施主浓度ND=1017cm-3的n型Si，室温下功函数是多少？若不考虑表面态的影响，它分别和Al、Au和Mo接触时形成阻挡层还是反阻挡层？Si的电子亲和能取4.05eV。设WAl=4.18eV，WAu=5.20eV，WMo=4.21eV。 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。 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。 当外加电压V和表面势Vs 符号相同时，不仅势垒 高度增加，且宽度也相应 增加，势垒宽度也称为 势垒厚度。 这种厚度依赖于外加电压的 势垒称作肖特基势垒。 扩散理论适用于 载流子迁移率小 （平均自由程较短） 的半导体—氧化亚铜 实际上电流随反向电压的增加 比理论值更为明显。 原因：采用了高度理想模型 如精确描述性能需考虑镜像力 和隧道效应的影响。 镜像力和隧道效应对 伏-安特性的影响基本相同。 它们引起势垒高度的降低，使反向电流增大， 且随反向电压提高，势垒降低更为明显。 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 无镜像力 有镜像力 xm 镜像势能 平衡时镜像力对势垒的影响 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像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 当反向电压较高时，势垒的降低变得明显，镜像力的影响显得重要。 镜像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 V ?, JsD ? （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 对于一定