半导体物理-侯艳芳 课件7-2.ppt

概念 整流理论是指阻挡层的整流理论 紧密接触的金属和半导体之间有外加电压 外加正向电压V于金属（V0），电压主要降落在高阻区域阻挡层上。原来半导体表面和内部之间的电势差，即表面势是(Vs00)，现在应为(Vs0十V)，因而半导体一边的电子势垒高度由-qVs0 改变为-q(Vs0十V)下降，形成从金属到半导体的正向净电流，它是由n型半导体中多数载流子构成的。外加电压越高，势垒下降越多正向电流越大。 热电子发射理论 概念： n型阻挡层很薄，以至于电子平均自由程远大于势垒宽度(xdln)时，电子在势垒区的碰撞可以忽略，扩散理论显然是不适应。 在这种情况下，势垒的形状并不重要，起决定作用的是势垒高度。 半导体内部的电子只要有足够的能量超越势垒的顶点，就可以自由地通过阻挡层进入金属；同样，金属中能超越势垒顶的电子也都能到达半导体内。 电流的计算归结为计算超越势垒的载流子数目，这就是热电子发射理论。 以n型非简并半导体为例，作定量计算: 假设势垒高度－qVs0k0T， 所以通过势垒的电子数只是半导体中电子数极少的一部分，视半导体中电子密度为常数，和电流无关。 理论模型的缺陷 一般短自由程的半导体材料肖特基势垒符合扩散机制，常见的Ge、Si、GaAs都有较高的载流子迁移率和较大的平均自由程，室温下这些半导体材料的肖持基势垒中的电流输运机构，主要是多数载流子的热电子发射。 镜像力的影响 镜像力的概念：距离金属外x处存在一电子，则在金属表面会感应一正电荷。两电荷之间的作用力，相当于该电子与位于2x处的等量正电荷之间的吸引力，这个正电荷称为镜象电荷。这个吸引力称为镜象力，两者见存在的作用力表达为： 欧姆接触 当金属半导体组成非整流接触时即欧姆接触。特点是不产生明附加显阻抗，不对半导体内部平衡载流子浓度产生明显影响。理想的欧姆接触在欧姆结上的压降很小。这种接触不影响半导体或器件的伏安特性。 欧姆接触实现：不考虑表面态的影响，若WmWs，金属和n型半导体接触可形成反阻挡层；而WmWs时，金属和p型半导体接触也能形成反阻挡层。利于形成欧姆接触。 半导体重掺杂时，因与金属的接触可以隧穿形成 欧姆接触 接触电阻定义：为零偏压下的微分电阻： 以隧道电流为主时的接触电阻：讨论金属和n型半导体接触的势垒贯穿问题。为了得到半导体中导带电子所面临的势垒，现在把导带底EC选作电势能的零点，有： 看出势垒高度一定，隧道几率强烈地依赖于掺杂浓度ND，ND越大隧穿几率就大。一般来说，具有不同能量的电子隧穿几率不同，对各种能量电子对隧道电流的贡献积分可得总电流，它与隧穿几率成比例。 接触电阻： 掺杂浓度高，接触电阻小。故半导体材料重掺杂时可得到欧姆接触 常见的重要半导体材料，一般都有很高的表面态密度，无论是n型材料或p型材料与金属接触都形成势垒，与金属功函数关系不大。因此，不能用选择金属材料的办法来获得欧姆接触。 生产实际中，主要是利用隧道效应的原理在半导体上制造欧姆接触。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电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分。当隧道电流占主导地位的，它的接触电阻可以很小，可以用作欧姆接触。因之，半导体重掺杂时，它与金属的接触可以形成接近理想的欧姆接触。 Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact 到达界面的电子要越过势垒,须满足: Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact （b） Jm s Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact （c）总电流密度J Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact 扩散理论与热电子理论的差异 xd《Ln时： xd》Ln时： Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact 实际金属—半导体接触整流器的伏—安特性与理论结果进行比较，理论确实能够说明不对称的导电性，理论所预言的高阻方向和低阻方向也和实际情况符合。但是理论和实验结果明显偏离：最明显的是在高阻方向，实际上电流随反向电压的增加比理论预期的更为显著。而在低阻方向，实际电流的增加一般都没有理论结果那样陡峻。产生这些分歧的原因是在理论推导过程中采用了理想的模型。而实际上接触处的结构并不那么简单，因而理论就不能精确描述它们的性能，有必须对理论进行修正。 后面从镜象