第八章金屬和半導(dǎo)體的接觸 1金屬半導(dǎo)體接觸及能級(jí)圖 1 金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù) 金屬中的電子絕大多數(shù)所處的能級(jí)都低于體外能級(jí) 金屬功函數(shù)的定義 真空中靜止電子的能量E0與金屬的EF能量之差 即 上式表示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子 由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小值 金屬中的電子勢(shì)阱 EF Wm越大 金屬對(duì)電子的束縛越強(qiáng) 在半導(dǎo)體中 導(dǎo)帶底EC和價(jià)帶頂EV一般都比E0低幾個(gè)電子伏特 半導(dǎo)體功函數(shù)的定義 真空中靜止電子的能量E0與半導(dǎo)體的EF能量之差 即 Ws與雜質(zhì)濃度有關(guān) E0 EC EF EV Ws 電子的親合能 2 接觸電勢(shì)差 Ev Ws a 接觸前 半導(dǎo)體的功函數(shù)又寫為 D b 間隙很大 D 原子間距 金屬表面負(fù)電半導(dǎo)體表面正電 Vm 金屬的電勢(shì)Vs 半導(dǎo)體的電勢(shì) 平衡時(shí) 無(wú)電子的凈流動(dòng) 相對(duì)于 EF m 半導(dǎo)體的 EF s下降了 接觸電勢(shì)差 金屬和半導(dǎo)體接觸而產(chǎn)生的電勢(shì)差Vms c 緊密接觸 半導(dǎo)體表面有空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)內(nèi)有電場(chǎng) 電場(chǎng)造成能帶彎曲 E 因表面勢(shì)Vs 0 能帶向上彎曲 qVD 接觸電勢(shì)差一部分降落在空間電荷區(qū) 另一部分降落在金屬和半導(dǎo)體表面之間 若D 原子間距 電子可自由穿過(guò)間隙 Vms 0 則接觸電勢(shì)差大部分降落在空間電荷區(qū) d 忽略間隙 qVD 半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度 金屬一邊的勢(shì)壘高度 半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷區(qū) 電場(chǎng)方向由體內(nèi)指向表面 Vs 0 半導(dǎo)體表面電子的能量高于體內(nèi)的 能帶向上彎曲 即形成表面勢(shì)壘 當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸 Wm Ws 在勢(shì)壘區(qū)中 空間電荷主要由電離施主形成 電子濃度要比體內(nèi)小得多 因此它是一個(gè)高阻的區(qū)域 常稱為阻擋層 Wm Ws 當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸 半導(dǎo)體表面形成一個(gè)負(fù)的空間電荷區(qū) 電場(chǎng)方向由表面指向體內(nèi) Vs 0 半導(dǎo)體表面電子的能量低于體內(nèi)的 能帶向下彎曲 在空間電荷區(qū)中 電子濃度要比體內(nèi)大得多 因此它是一個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域 稱為反阻擋層 Ec Ev EF Ws Wm Wm 金屬和n型半導(dǎo)體接觸能帶圖 Wm Ws 反阻擋層薄 高電導(dǎo) 對(duì)接觸電阻影響小 能帶向下彎曲 造成空穴的勢(shì)壘 形成p型阻擋層 當(dāng)金屬與p型半導(dǎo)體接觸 能帶向上彎曲 形成p型反阻擋層 Wm Ec Ev Ec Ev 金屬和p型半導(dǎo)體接觸能帶圖 a b a p型阻擋層 WmWs 形成n型和p型阻擋層的條件 Wm Ws Wm Ws n型 p型 阻擋層 反阻擋層 阻擋層 反阻擋層 3 表面態(tài)對(duì)接觸勢(shì)壘的影響 金屬和n半導(dǎo)體接觸時(shí) 形成的金屬的勢(shì)壘高度 同一半導(dǎo)體 不變 q ns應(yīng)隨Wm而變 事實(shí)上 由于半導(dǎo)體表面態(tài)的存在 Wm對(duì)q ns的影響不大 表面態(tài)分施主表面態(tài)和受主表面態(tài) 在半導(dǎo)體表面禁帶中形成一定的分布 存在一個(gè)距價(jià)帶頂為q 0的能級(jí) 對(duì)多數(shù)半導(dǎo)體 q 0約為禁帶寬度的1 3 電子填滿q 0以下所有表面態(tài)時(shí) 表面電中性q 0以下的表面態(tài)空著時(shí) 表面帶正電 呈現(xiàn)施主型 q 0以上的表面態(tài)被電子填充時(shí) 表面帶負(fù)電 呈現(xiàn)受主型 存在受主表面態(tài)時(shí)n型半導(dǎo)體的能帶圖 EF q ns Ws q 0 qVD EV EC 若表面態(tài)密度很大 只要EF比q 0高一點(diǎn) 表面上就會(huì)積累很多負(fù)電荷 能帶上彎 存在高表面態(tài)密度時(shí)n型半導(dǎo)體的能帶圖 q ns Ws q 0 En EF EV Ec 高表面態(tài)密度時(shí) 勢(shì)壘高度 勢(shì)壘高度稱為被高表面態(tài)密度釘扎 無(wú)表面態(tài) 半導(dǎo)體的功函數(shù) 有表面態(tài) 即使不與金屬接觸 表面也形成勢(shì)壘 半導(dǎo)體的功函數(shù) 形成電子勢(shì)壘時(shí) 表面態(tài)密度很高時(shí) 費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng) 在半導(dǎo)體表面 費(fèi)米能級(jí)的位置由表面態(tài)決定 而與半導(dǎo)體摻雜濃度無(wú)關(guān)的現(xiàn)象 表面受主態(tài)密度很高的n型半導(dǎo)體與金屬接觸能帶圖 a 接觸前 E0 Wm EF m q ns EF s EC qVD 省略表面態(tài)能級(jí) 金和半接觸時(shí) 當(dāng)半導(dǎo)體的表面態(tài)密度很高時(shí) 電子從半導(dǎo)體流向金屬 這些電子由受主表面態(tài)提供 平衡時(shí) 費(fèi)米能級(jí)達(dá)同一水平 Wm EF s EC qVD Wm Ws b 緊密接觸 空間電荷區(qū)的正電荷 表面受主態(tài)上的負(fù)電荷 金屬表面負(fù)電荷 表面受主態(tài)密度很高的n型半導(dǎo)體與金屬接觸能帶圖 c 極限情形 EF s EC q ns 半導(dǎo)體的勢(shì)壘高度 半導(dǎo)體內(nèi)的表面勢(shì)壘qVD在接觸前后不變 因表面態(tài)密度很高 表面態(tài)中跑掉部分電子后 表面能級(jí)q 0的位置基本不變 勢(shì)壘高度 金屬和p型半導(dǎo)體接觸時(shí)情形類似 金 半接觸的的勢(shì)壘高度與金屬的功函數(shù)無(wú)關(guān) 只取決于表面能級(jí)的位置 當(dāng)表面態(tài)起主要作用時(shí) 表面態(tài)密度不同 緊密接觸時(shí) 接觸電勢(shì)差有一部分要降落在半導(dǎo)體表面以內(nèi) 金屬功函數(shù)對(duì)表面勢(shì)壘將產(chǎn)生不同程度的影響 但影響不大 但是 2金屬半導(dǎo)體接觸 阻擋層 整流理論 金 n型半接觸 Wm Ws時(shí) 在半導(dǎo)體表面形成一個(gè)高阻區(qū)域 叫阻擋層 有外加V時(shí) 表面勢(shì)為 Vs 0 V 無(wú)外加V時(shí) 表面勢(shì)為 Vs 0 電子勢(shì)壘高度為 V與 Vs 0同符號(hào)時(shí) 阻擋層勢(shì)壘提高 V與 Vs 0反符號(hào)時(shí) 阻擋層勢(shì)壘下降 外加電壓對(duì)n型阻擋層的影響 a V 0 q ns qVD q Vs 0 外加電壓對(duì)n型阻擋層的影響 b V 0 q ns qV q Vs 0 V 金屬正 半導(dǎo)體負(fù) 從半到金的電子數(shù)目增加 形成從金到半的正向電流 此電流由多子構(gòu)成 V 勢(shì)壘下降越多 正向電流越大 因Vs 0 c V 0 金屬負(fù) 半導(dǎo)體正 qV q ns q Vs 0 V 從半到金的電子數(shù)目減少 金到半的電子流占優(yōu)勢(shì)形成從半到金的反向電流 金屬中的電子要越過(guò)很高的勢(shì)壘q ns 所以反向電流很小 q ns不隨V變 所以從金到半的電子流恒定 V 反向電流飽和 阻擋層具有整流作用 對(duì)p型阻擋層 V0 金屬正偏 形成反向電流 1 厚阻擋層的擴(kuò)散理論 對(duì)n型阻擋層 當(dāng)勢(shì)壘的寬度比電子的平均自由程大得多時(shí) 電子通過(guò)勢(shì)壘區(qū)要發(fā)生多次碰撞 當(dāng)勢(shì)壘高度遠(yuǎn)大于kT時(shí) 勢(shì)壘區(qū)可近似為一個(gè)耗盡層 厚阻擋層 須同時(shí)考慮漂移和擴(kuò)散 0 xd x q ns EF 0 0 V En q n 耗盡層中 載流子極少 雜質(zhì)全電離 空間電荷完全由電離雜質(zhì)的電荷形成 這時(shí)的泊松方程是 若半導(dǎo)體是均勻摻雜的 那么耗盡層中的電荷密度也是均勻的 等于qND 0 勢(shì)壘寬度 V與 Vs 0同號(hào)時(shí) 勢(shì)壘高度提高 勢(shì)壘寬度增大 厚度依賴于外加電壓的勢(shì)壘 叫肖特基勢(shì)壘 考慮漂移和擴(kuò)散 流過(guò)勢(shì)壘的電流密度 V 0時(shí) 若qV kT 則 V kT 則 JsD隨電壓變化 不飽和 金屬半導(dǎo)體接觸伏安特性 V I 擴(kuò)散理論適用于遷移率小的半導(dǎo)體 計(jì)算超越勢(shì)壘的載流子數(shù)目 電流 就是熱電子發(fā)射理論 2 熱電子發(fā)射理論 N型阻擋層很薄時(shí) 電子的平均自由程遠(yuǎn)大于勢(shì)壘寬度 擴(kuò)散理論不再適用 電子在勢(shì)壘區(qū)的碰撞可忽略 勢(shì)壘高度起作用 以n型阻擋層為例 且假定勢(shì)壘高度 電子從金屬到半導(dǎo)體所面臨的勢(shì)壘高度不隨外加電壓變化 從金屬到半導(dǎo)體的電子流所形成的電流密度Jm s是個(gè)常量 它應(yīng)與熱平衡條件下 即V 0時(shí)的Js m大小相等 方向相反 因此 有效理查遜常數(shù) 熱電子向真空發(fā)射的有效理查遜常數(shù) 由上式得到總電流密度為 Ge Si GaAs的遷移率高 自由程大 它們的肖特基勢(shì)壘中的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu) 主要是多子的熱電子發(fā)射 熱電子發(fā)射理論得到的伏 安特性與擴(kuò)散理論的一致 3 鏡象力和隧道效應(yīng)的影響 鍺檢波器的反向特性 若電子距金屬表面的距離為x 則它與感應(yīng)正電荷之間的吸引力 相當(dāng)于該電子與位于 x 處的等量正電荷之間的吸引力 這個(gè)正電荷稱為鏡象電荷 在金屬 真空系統(tǒng)中 一個(gè)在金屬外面的電子 要在金屬表面感應(yīng)出正電荷 同時(shí)電子要受到正電荷的吸引 1 鏡象力的影響 鏡象電荷 電子 x n x 鏡象電荷 這個(gè)吸引力稱為鏡象力 它應(yīng)為 把電子從x點(diǎn)移到無(wú)窮遠(yuǎn)處 電場(chǎng)力所做的功 半導(dǎo)體和金屬接觸時(shí) 在耗盡層中 選 EF m為勢(shì)能零點(diǎn) 由于鏡像力的作用 電子的勢(shì)能 q q ns EF m 0 無(wú)鏡象力 有鏡象力 xm 鏡象勢(shì)能 平衡時(shí)鏡象力對(duì)勢(shì)壘的影響 x 電勢(shì)能在xm處出現(xiàn)極大值 這個(gè)極大值發(fā)生在作用于電子上的鏡象力和電場(chǎng)力相平衡的地方 即 若 從上式得到 勢(shì)壘頂向內(nèi)移動(dòng) 并且引起勢(shì)壘的降低q 勢(shì)能的極大值小于q ns 這說(shuō)明 鏡象力使 平衡時(shí) q 很小 可忽略 外加電壓非平衡時(shí) 勢(shì)壘極大值所對(duì)應(yīng)的x值 當(dāng)反向電壓較高時(shí) 勢(shì)壘的降低變得明顯 鏡象力的影響顯得重要 勢(shì)壘的降低量 鏡象力所引起的勢(shì)壘降低量隨反向電壓的增加而緩慢地增大 不考慮鏡像力的影響時(shí) 考慮鏡像力的影響時(shí) JsD中的 變?yōu)?V JsD 2 隧道效應(yīng)的影響 能量低于勢(shì)壘頂?shù)碾娮佑幸欢ǜ怕蚀┻^(guò)勢(shì)壘 穿透的概率與電子能量和勢(shì)壘厚度有關(guān) 隧道效應(yīng)的簡(jiǎn)化模型 對(duì)于一定能量的電子 存在一個(gè)臨界勢(shì)壘厚度xc 若xd xc 則電子完全不能穿過(guò)勢(shì)壘 若xd xc 則勢(shì)壘對(duì)于電子完全透明 即勢(shì)壘降低了 金屬一邊的有效勢(shì)壘高度為 qV x 若xc xd 隧道效應(yīng)引起的勢(shì)壘降低為 反向電壓較高時(shí) 勢(shì)壘的降低才明顯 鏡像力和隧道效應(yīng)對(duì)反向特性影響顯著 引起勢(shì)壘高度的降低 使反向電流增加 反向電壓越大 勢(shì)壘降低越顯著 反向電流越大 4 肖特基勢(shì)壘二極管 肖特基勢(shì)壘二極管的正向電流 主要是由半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子進(jìn)入金屬形成的 此二極管將有較低的正向?qū)妷?一般為0 3V左右 且有更好的高頻特性 利用金屬 半導(dǎo)體整流接觸特性制成的二極管 3少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸 1 少數(shù)載流子的注入 N型半導(dǎo)體的勢(shì)壘和阻擋層都是對(duì)電子而言 由于空穴所帶電荷與電子電荷符號(hào)相反 電子的阻擋層就是空穴的積累層 空穴的濃度在表面最大 空穴電流的大小 首先決定于阻擋層中的空穴濃度 只要?jiǎng)輭咀銐蚋?靠近接觸面的空穴濃度就可以很高 空穴自表面向內(nèi)部擴(kuò)散 正偏時(shí) 勢(shì)壘降低 空穴擴(kuò)散占優(yōu)勢(shì) 形成的電流與電子電流同向 Ec 0 Ev 0 Ec EF Ev N型反型層中的載流子濃度 如果在接觸面附近 費(fèi)米能級(jí)和價(jià)帶頂?shù)木嚯x 則p 0 值應(yīng)和n0值相近 n 0 也近似等于p0 勢(shì)壘中空穴和電子所處的情況幾乎完全相同 只是空穴的勢(shì)壘頂在阻擋層的內(nèi)邊界 在加正向電壓時(shí) 空穴將流向半導(dǎo)體 但它們并不能立即復(fù)合 必然要在阻擋層內(nèi)界形成一定的積累 然后再依靠擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)部 EF m Ec 積累 擴(kuò)散 少數(shù)載流子的積累 上圖說(shuō)明這種積累的效果顯然是阻礙空穴的流動(dòng) 因此 空穴對(duì)電流貢獻(xiàn)的大小還決定于空穴進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)擴(kuò)散的效率 在金屬和n型半導(dǎo)體的整流接觸上加正電壓時(shí) 就有空穴從金屬流向半導(dǎo)體 這種現(xiàn)象稱為少數(shù)載流子的注入 空穴從金屬注入半導(dǎo)體 實(shí)質(zhì)上是半導(dǎo)體價(jià)帶頂部附近的電子流向金屬 填充金屬中 EF m以下的空能級(jí) 而在價(jià)帶頂附近產(chǎn)生空穴 2 歐姆接觸