第7节半导体物理.ppt

金属和半导体间距离D远大于原子间距 随着D的减小，空间电荷增加，能带弯曲 WmWs时，n型半导体表面形成正的空间电荷区，电场由体内指向表面，Vs0，能带向上弯曲，金半接触形成的空间电荷层载流子浓度低于体内，被称为阻挡层。 实验表明：不同金属的功函数虽然相差很大，但与半导体接触时总是形成阻挡层，而且势垒高度相差很小。 原因：半导体表面存在表面态。 表面态特点 （1） 由悬挂键、杂质、缺陷等因素产生，它们一般具有双性行为，接受电子表现为受主型，反之为施主型。 （2）密度很高，在禁带中分布不均匀。 （3）在半导体表面禁带中存在一个距离价带顶为qФ0的位置。EF=qФ0时，表面态呈电中性。 EFqФ0时，表面态带正电，呈现施主型；反之呈现受主型。对于硅晶体，qФ0约为禁带宽度的三分之一。 表面态的屏蔽作用 当金属与半导体接触时，传输的电荷几乎全部由表面态提供或接纳，半导体空间电荷层的势垒高度几乎不变。可以认为势垒区被表面态所屏蔽，而基本不受金属功函数的影响。因此，金半接触只能形成阻挡层。 金属-半导体接触扩散理论电流电压方程： 其中 讨 论 （1）V 0 时 如果 （2）V 0 时 如果 V I 0 （2）热电子发射理论 xd ln时，电子通过势垒区的碰撞可以忽略。当电子动能大于势垒顶部时，电子可以自由越过势垒进入另一边——热电子发射。 假设qVDk0T。 （a）Js→m （b）Jm→s （c）J = Js→m + Jm→s （a）Js→m： 单位体积中，能量在E~E+dE范围内的电子数为： 利用 又 则 假设电流沿x方向流动，因此只有速度分量vx对电流有贡献，同时vx需满足以下条件： 即电子的最小速度： 于是， 式中， （b）Jm→s： 金属一侧的势垒qφns是恒定的，所以Jm→s是恒定的。 V = 0 时，Js→m + Jm→s = 0 从而 Jm→s = - Js→m （V = 0） （c）总电流密度J 其中 扩散理论与热电子理论的差异 JSD随外加电压而变化；对温度很敏感。 JST与外加电压无关；对温度很敏感 。 Mg2Si-nSi与Al-nSi肖特基二极管V-I特性 实际情况 反向电流不饱和 V I 0 V I 0 理想情况 反向电流饱和 （3）镜象力和隧道效应的影响 镜象力的影响 -x 0 +x x 感应镜象电荷 感应电荷对电子产生库仑吸引力： 产生的电子附加势能为： （1） （2） （3） 对于金-半接触势垒中的电子，附加势能为： 将势能零点选在(EF)m，由于镜象力的作用，电子所具有的电势能为： （4） 无镜象力 有镜象力 xm x 0 镜象势能 将（3）式代入（4）式，则在xm处的电势降落为： 可见反向偏压和掺杂较高时将导致势垒最高点降落值  增大。 半导体侧有效势垒高度 金属一边有效势垒高度 隧道效应的影响 隧道效应原理： 能量低于势垒顶的电子有一定几率穿过这个势垒，穿透的几率与电子能量和势厚度有关。 * * 第七章 金属和半导体的接触 Contact between Metal and Semiconductor 重点： 1、阻挡层与反阻挡层的形成 2、表面态对接触特性的影响 3、肖特基势垒的整流特性 4、欧姆接触 §7.1 金属-半导体接触和能带图 Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram 学习重点： 功函数 电子亲和能 接触电势差 阻挡层与反阻挡层 Metal Insulator Semiconductor Semicoductor (a) 基于平面工艺的金属-半导体接触结构透视图 (b) 金属-半导体接触结构一维结构图 Metal 1、金属和半导体的功函数 金属功函数Wm ：起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量。 Wm = E0 - (EF)m 半导体功函数Ws ：真空能级与半导体费米能级之差。 Ws = E0 – (EF)s 电子亲合能χ：半导体导带底的电子逸出体外所需的最小能量。 E0 Ec Ev Ws χ En (EF)s Wm (EF)m 2、接触电势差 假设金属和 n 型半导体相接触，且WmWs E0 Ec Ev Ws χ