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1、第七章第七章 金属和半导体的接触金属和半导体的接触本章内容金属和半导体接触（4学时）金属半导体接触及其能级图；少数载流子的注入和欧姆接触。重点：金属和半导体之间接触的能带图，少数载流子的注入过程和形成欧姆接触的必要条件。7.1 7.1 金属半导体接触及其金属半导体接触及其能级图能级图金属功金属功函数函数7.1.1 7.1.1 金属和半导体的功函数金属和半导体的功函数金金属属中中的的电电子子虽虽然然能能在在金金属属中中自自由由运运动动，但绝大多数所处的能级都低于体外能级。但绝大多数所处的能级都低于体外能级。金属功函数随原子序数的递增呈现周期性变化金属功函数随原子序数的递增呈现周期性变化关于功函数
2、的几点说明关于功函数的几点说明:对对金属而言金属而言,功函数功函数Wm可看作是固定的可看作是固定的.功功函数函数Wm标志了电子在金属中被束缚的程度标志了电子在金属中被束缚的程度.对半导体而言对半导体而言,功函数与掺杂有关功函数与掺杂有关功功函数与表面有关函数与表面有关.功函数是一个统计物理量。功函数是一个统计物理量。半导体的功函数半导体的功函数WsE0与费米能级之差称为半导体的功函数。与费米能级之差称为半导体的功函数。Ec(EF)sEvE0Ws表示从表示从Ec到到E0的能量间隔：的能量间隔：称称为电子的亲和能，它表示要使半导体导带底的为电子的亲和能，它表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需要的
3、最小能量。电子逸出体外所需要的最小能量。EnEp 故故 其中其中对半导体，电子亲和能对半导体，电子亲和能是固定的，功函数与掺杂有关是固定的，功函数与掺杂有关n半导体功函数与杂质浓度的半导体功函数与杂质浓度的关系关系 n型半导体型半导体:p型半导体型半导体:7.1.2 7.1.2 接触电势差接触电势差设想有一块金属和一块设想有一块金属和一块n n型半导体，并假定型半导体，并假定金属的功函数大于半导体的功函数，即：金属的功函数大于半导体的功函数，即：接触前：接触前：E Ec c(E(EF F)s sE Ev vE0 WWs sE En nWWm m(E(EF F)m mn金属和半导体间距离金属和半
4、导体间距离D D远大于原子间距远大于原子间距由于由于WmWs，即，即 EFmWWs s，半半导导体体表表面面形形成成正正的的空空间间电电荷荷区区，电电场场由体内指向表面，由体内指向表面，V Vs s00，形成表面势垒（阻挡层）。，形成表面势垒（阻挡层）。E En nE Ec cE Ev v(E(EF F)s sqVqVD Dq qnsnsWWm m 能能带带向向上上弯弯曲曲，形形成成表表面面势势垒垒。势势垒垒区区电电子子浓浓度度比体内小得多比体内小得多高阻区高阻区(阻挡层阻挡层)。n若若W Wm mW00。形形成高电导区（反阻挡层）。成高电导区（反阻挡层）。能带向下弯曲。这里电子浓度比体内大得
5、多，能带向下弯曲。这里电子浓度比体内大得多，因而是一个高电导的区域，称之为反阻挡层。因而是一个高电导的区域，称之为反阻挡层。E En nE Ec cE Ev v(E(EF F)s sqVDX-Wm金金属属与与p p型型半半导导体体接接触触时时，若若WWm mWWWs s，能带向上弯，能带向上弯曲，形成曲，形成P P型反阻挡层。型反阻挡层。n n型型p p型型WWm mWWs s阻挡层阻挡层反阻挡层反阻挡层WWm mW0V0若金属接电源正极，若金属接电源正极，n n型半导体接电源负极，则外加电压降方向型半导体接电源负极，则外加电压降方向由金属指向半导体，外加电压方向和接触表面势方向相反，使由金属
6、指向半导体，外加电压方向和接触表面势方向相反，使势垒高度下降，电子顺利的流过降低了的势垒。从半导体流向势垒高度下降，电子顺利的流过降低了的势垒。从半导体流向金属的电子数超过从金属流向半导体的电子数，形成从金属流金属的电子数超过从金属流向半导体的电子数，形成从金属流向半导体的正向电流。向半导体的正向电流。n（3 3）V0V0V0时，若时，若qVkqVk0 0T T，则，则n当当V0Vk|qV|k0 0T T，则，则n该该理理论论适适用用于于迁迁移移率率较较小小，平平均均自自由由程程较较短短的的半半导导体体，如氧化亚铜。如氧化亚铜。n当当n n型型阻阻挡挡层层很很薄薄，电电子子平平均均自自由由程程
7、远远大大于于势势垒垒宽宽度度。起起作作用用的的是是势势垒垒高高度度而而不不是是势势垒垒宽宽度度。电流的计算归结为超越势垒的载流子数目电流的计算归结为超越势垒的载流子数目。n假定，由于越过势垒的电子数只占半导体总电假定，由于越过势垒的电子数只占半导体总电子数很少一部分，故半导体内的电子浓度可以子数很少一部分，故半导体内的电子浓度可以视为常数视为常数。n讨论非简并半导体的情况。讨论非简并半导体的情况。热电子发射理论热电子发射理论n针对针对n n型半导体，电流密度型半导体，电流密度其中理查逊常数其中理查逊常数GeGe、SiSi、GaAsGaAs有较高的载流子迁移率，有较大的平有较高的载流子迁移率，有
8、较大的平均自由程，因此在室温下主要是多数载流子的热电均自由程，因此在室温下主要是多数载流子的热电子发射。子发射。n两两种种理理论论结结果果表表示示的的阻阻挡挡层层电电流流与与外外加加电电压压变变化关系基本一致，体现了电导非对称化关系基本一致，体现了电导非对称性性n正正向向电电压压，电电流流随随电电压压指指数数增增加加；负负向向电电压压，电流基本不随外加电压而电流基本不随外加电压而变化变化nJ JSDSD与与外外加加电电压压有有关关；J JSTST与与外外加加电电压压无无关关，强强烈烈依依赖赖温温度度T T。当当温温度度一一定定，J JSTST随随反反向向电电压压增增加加处于饱和状态，称之为反向
9、饱和电流。处于饱和状态，称之为反向饱和电流。镜像力和隧道效应的影响镜像力和隧道效应的影响 镜像力的影响镜像力的影响n隧道效应隧道效应 微观粒子要越过一个势垒时，能量超过微观粒子要越过一个势垒时，能量超过势垒高度势垒高度的微粒的微粒子，可以越过势垒，而能量低于子，可以越过势垒，而能量低于势垒高度势垒高度的粒子也有一定的粒子也有一定的概率穿过势垒，其他的则的概率穿过势垒，其他的则被反射被反射。这就是所谓微粒子的。这就是所谓微粒子的隧道效应。隧道效应。隧道效应的影响隧道效应的影响结论：结论：只有在反向电压较高时，电子的动能较大，使有效势垒高只有在反向电压较高时，电子的动能较大，使有效势垒高度下降较多
10、，对反向电流的影响才是显著的。度下降较多，对反向电流的影响才是显著的。肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管n与与p-np-n结的相同点结的相同点：n单向导电性单向导电性 。n与与p-np-n结的不同点结的不同点：（1）多数载流子器件和少数载流子器件）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）无电荷存贮效应和有电荷存贮效应（3）高频特性好。）高频特性好。（4）正向导通电压小。）正向导通电压小。肖特基二极管肖特基二极管J JsDsD和和J JsTsT比比p-np-n结反向饱和电流结反向饱和电流J Js s大大得多得多。即肖。即肖特基特基二极管有较低二极管有较低的正向导通电压。
11、的正向导通电压。n用途用途：钳位二极管：钳位二极管(提高电路速度提高电路速度)等。等。nn n型型阻阻挡挡层层，体体内内电电子子浓浓度度为为n n0 0，接触面处的电子浓度是，接触面处的电子浓度是n电电子子的的阻阻挡挡层层就就是是空空穴穴积积累累层层。在在势势垒垒区区，空空穴穴的的浓浓度度在在表表面面处处最最大大。体体内内空空穴穴浓浓度度为为p p0 0，则则表表面浓度为面浓度为7.37.3少数载流子少数载流子的的注入和欧姆接触注入和欧姆接触7.3.17.3.1少数载流子的注入少数载流子的注入n加正压时，势垒降低，形加正压时，势垒降低，形成自外向内的空穴流，形成自外向内的空穴流，形成的电流与电
12、子电流方向成的电流与电子电流方向一致。一致。n空空穴穴电电流流大大小小，取取决决于于阻阻挡层的空穴浓度。挡层的空穴浓度。n平衡时，如果接触面处有平衡时，如果接触面处有n此此时时若若有有外外加加电电压压，p(0)p(0)将将超超过过n n0 0，则则空空穴穴电电流的贡献就很重要了流的贡献就很重要了。n加加正正向向电电压压时时，少少数数载载流流子子电电流流与与总总电电流流值值比比称为少数载流子的注入比，用称为少数载流子的注入比，用表示。表示。n加加正正电电压压时时，势势垒垒两两边边界界处处的的电电子子浓浓度度将将保保持持平平衡衡值值，而而空空穴穴在在阻阻挡挡层层内内界界形形成成积积累累，然然后后再
13、依靠扩散运动继续进入半导体内部再依靠扩散运动继续进入半导体内部。n对对n n型阻挡层而言型阻挡层而言7.2.2 7.2.2 欧姆接触欧姆接触n定义定义n不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平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变化。衡载流子浓度发生显著的变化。n当有电流经过时，欧姆接触上的电压降应远小当有电流经过时，欧姆接触上的电压降应远小于样品或者器件本身的压降，即电流于样品或者器件本身的压降，即电流-电压特性电压特性是由样品的电阻或者器件的特性决定的。是由样品的电阻或者器件的特性决定的。n实现实现 n反反阻阻挡挡层层没没有有整整流流作作用用，但但由由
14、于于常常见见半半导导体体材材料料一一般般都都有有很很高高的的表表面面态态密密度度，因因此此很很难难用用选选择择金金属材料的办法来获得欧姆接触。属材料的办法来获得欧姆接触。n隧道效应隧道效应：重重掺掺杂杂的的半半导导体体与与金金属属接接触触时时，则则势势垒垒宽宽度度变变得得很很薄薄，电电子子通通过过隧隧道道效效应应贯贯穿穿势势垒垒产产生生大大隧隧道道电电流流，甚甚至至超超过过热热电电子子发发射射电电流流而而成成为为电电流流的的主主要要成分，即可形成接近理想的成分，即可形成接近理想的欧姆接触欧姆接触。n接触电阻：零偏压下的微分电阻接触电阻：零偏压下的微分电阻n把导带底把导带底E Ec c选作电势能
15、的零点，可得选作电势能的零点，可得n电子的势垒为电子的势垒为n令令y=dy=d0 0-x-x，则，则n根根据据量量子子力力学学中中的的结结论论，x=dx=d0 0处处导导带带底底电电子子通通过隧道效应贯穿势垒的隧道概率过隧道效应贯穿势垒的隧道概率为为n有有外外加加电电压压时时，势势垒垒宽宽度度为为d d，表表面面势势为为(V(Vs s)0 0+V+V，则隧道概率，则隧道概率n隧道电流与隧道概率成正比隧道电流与隧道概率成正比n进而进而可得到可得到 半导体在重掺杂时，和金属的接触可以半导体在重掺杂时，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在半导体上制作一层重掺杂区后再与金属接触。接触。