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(3) 欧姆接触 也称为非整流接触。 定义:它不产生明显的附加阻抗,而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。从电学上讲,理想欧姆接触的接触电阻与半导体样品或器件相比应当很小,当有电流通过时,欧姆接触上的电压降应当远小于样品或器件本身的压降,这种接触不影响器件的电流-电压特性。 重要性:在超高频和大功率器件中,欧姆接触时设计和制造中的关键问题之一。 实现的办法:对于Si、Ge、GaAs等重要的半导体材料,一般表面态密度很高。势垒的形成与金属的功函数关系不大,不能通用选择金属材料的办法来获得欧姆接触。目前,在实际生产中,主要利用隧道效应的原理来实现。 重掺杂的p-n结可以产生显著的隧道电流。 金属与半导体接触时,如果半导体掺杂浓度很高,则势垒区宽度变薄。隧道电流甚至超过了热电子发射电流。使接触电阻很小。 5.5.3 半导体陶瓷的物理效应 1. 晶界效应 2. 表面效应 3. 西贝克效应 表面能级 表面能级及表面能带结构 表面能级:由于晶格的不完整性使势场周期性破坏,在禁带中产生附加能级,同理:晶体自由表面的存在使其周期场在表面处发生中断,在表面引起附加能级,因其在表面产生,称为表面能级。 引起表面能级的因素:断键 吸附其他分子或原子 晶格缺陷(如添加的杂质以固溶的形式出现在距晶界面约20埃的地方,即偏析)。例如Bi固溶在ZnO的颗粒表面。 Mn+ On- p n 陶瓷材料晶粒由表面断键形成的表面能带结构 (b) p型半导体陶瓷的表面势 (c) n型半导体陶瓷的表面势 表面空间电荷层及表面电势 表面空间电荷层:在金属中,自由电子密度很高,表面电荷基本上分布在一个原子层厚度范围内,与金属相比,由于半导体载流子密度要低的多,电荷必须分布在一定厚度的表面层内,这个带电的表面层为表面空间电荷层。 表面电势:表面空间电荷层两端的电势差。 表面电势的正负规定:表面电势比内部高时,其值取正,反之取负。 表面势为负值时,表面处能带向上弯曲,,在热平衡状态下,半导体内费米能级为一定值,随着向表面接近,价带顶将逐渐移近甚至超过费米能级,同时,价带中的空穴浓度也随之增加,结果表面层内出现空穴的堆积而带正电。 表面空间电荷层 的三种状态(主要讨论p型半导体) 1)多数载流子堆积状态 - - - - - - - ? ? ? ? ? ? ? EF p 当表面势为正值时,表面处能带向下弯曲,越接近表面,费米能级离价带顶越远,价带顶空穴浓度随之降低,在靠近表面的一定区域内,价带顶比费米能级低的多,根据波尔兹曼分布,表面处空穴浓度将比体内浓度低的多。 2)多数载流子耗尽状态 - - - - - - - ? ? ? ? ? ? ? p 在2)的基础上,表面处能带进一步向下弯曲,越接近表面,表面处费米能级可能高于禁带中央能量,即,费米能级离导带底比离价带顶更近一些,表面电子浓度超过空穴浓度,形成了与原来半导体导电类型相反的一层。 3)少数载流子反型状态 - - - - - - - ? ? ? ? ? ? ? - - - - - 压敏效应:对电压变化敏感的非线性电阻效应。即在某一临界电压以下,电阻值非常高,可以认为是绝缘体,当超过临界电压(敏感电压),电阻迅速降低,让电流通过。 电压与电流是非线性关系。 1. 晶界效应 (1) 压敏陶瓷 隧道效应 热激发 双肖特基势垒图 (2) PTC效应 PTC效应:电阻率随温度升上发生突变,增大了3—4个数量级。是价控型钛酸钡半导体特有。电阻率突变温度在相变(四方相与立方相转变)温度或居里点。 PTC机理(Heywang晶界模型): 1)n型半导体陶瓷晶界具有表面能级; 2)表面能级 可以捕获载流子,产生电子耗损层,形成肖特基势垒。在烧结时,需采用氧化气氛,缓慢冷却,使晶界充分氧化,因此所得烧结体表面覆盖着高阻氧化层,在被电极前将氧化层去除。 3)肖特基势垒高度与介电常数有关,介电常数越大,势垒越低;4)温度超过居里点,材料的介电常数急剧减小,势垒增高,电阻率急剧增加。 表面效应:半导体表面吸附气体时电导率发生变化。 吸附气体的种类:H2、O2、CO、CH4、H2O等。 半导体表面吸附气体对电导率的影响: 如果吸附气体的电子亲和力大于半导体的功函数,吸附分子从半导体中捕获电子而带负电;相反吸附分子带正电。 n型半导体负电吸附,p型半导体正电吸附时,表面均形成耗尽层,表面电导率减小。 p型半导体负电吸附,n型半导体正电吸附时,表面均形成积累层,表面电导
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