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1、第八章第八章 金属和半导体的接触金属和半导体的接触.1 金属半导体接触及能级图金属半导体接触及能级图 1.金属和半导体的功函数金属和半导体的功函数金属中的电子绝大多数所处的能级都金属中的电子绝大多数所处的能级都低于体外能级。低于体外能级。金属功函数金属功函数的定义的定义:真空中静止电子的真空中静止电子的能量能量 E0 与与 金属的金属的 EF 能量之差，即能量之差，即上式表示一个起始能量等于费米能级上式表示一个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的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小值。需要的最小值。金属中的电子势阱金属中的电子势阱EFWm 越大越大,金属对电子的束缚越强金
2、属对电子的束缚越强在半导体中，导带底在半导体中，导带底 EC 和价带顶和价带顶 EV一般都比一般都比 E0 低几个电子伏特。低几个电子伏特。半导体功函数半导体功函数的定义的定义:真空中静止电子的真空中静止电子的能量能量 E0 与与 半导体的半导体的 EF 能量之差，即能量之差，即Ws 与杂质浓度有关与杂质浓度有关E0ECEFEV Ws电子的亲合能电子的亲合能2.接触电势差接触电势差EvWs(a)接触接触前前半导体的功函数又写为半导体的功函数又写为D（b）间隙很大）间隙很大(D原子间距原子间距)金属表面负电金属表面负电半导体表面正电半导体表面正电Vm:金属的电势金属的电势Vs:半导体的电势半导体
3、的电势平衡时平衡时,无电子的净流动无电子的净流动.相对于相对于(EF)m,半导体的半导体的(EF)s下降了下降了接触电势差接触电势差:金属和半导体接触而产生的电势差金属和半导体接触而产生的电势差 Vms.（c）紧密接触）紧密接触 半导体表面有空间半导体表面有空间 电荷区电荷区 空间电荷区内有电场空间电荷区内有电场 电场造成能带弯曲电场造成能带弯曲E+_因表面势因表面势 Vs 0能带向上弯曲能带向上弯曲qVD接触电势差一部分降落在空间电荷区接触电势差一部分降落在空间电荷区,另一另一部分降落在金属和半导体表面之间部分降落在金属和半导体表面之间若若D原子间距原子间距,电子可自由穿过间隙电子可自由穿过
4、间隙,Vms0,则接触电势差大部分降落在空间电荷区则接触电势差大部分降落在空间电荷区（d）忽略间隙）忽略间隙qVD半导体一边的势垒高度半导体一边的势垒高度金属一边的势垒高度金属一边的势垒高度 半导体表面形成一个正的空间电荷区半导体表面形成一个正的空间电荷区 电场方向由体内指向表面电场方向由体内指向表面(VsWs在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度要比体内小得多，因此它是一个高电子浓度要比体内小得多，因此它是一个高阻的区域，常称为阻的区域，常称为阻挡层阻挡层。Wm0)半导体表面电子的能量低于体内的，能半导体表面电子的能量低于体内的，能 带向下弯
5、曲带向下弯曲在空间电荷区中，电子浓度要比体内大得多，在空间电荷区中，电子浓度要比体内大得多，因此它是一个高电导的区域，称为因此它是一个高电导的区域，称为反阻挡层反阻挡层。EcEvEFWs-Wm-Wm金属和金属和 n 型半导体接触能带图型半导体接触能带图(WmWs)反阻挡层薄反阻挡层薄,高电导高电导,对接触电阻影响小对接触电阻影响小能带向下弯曲能带向下弯曲,造成空穴的势垒造成空穴的势垒,形成形成 p 型阻挡层型阻挡层当金属与当金属与 p 型半导体接触型半导体接触能带向上弯曲能带向上弯曲,形成形成 p 型反阻挡层型反阻挡层WmEcEvEcEv金属和金属和p型半导体接触能带图型半导体接触能带图(a)
6、(b)(a)p型阻挡层型阻挡层(WmWs)形成形成n型和型和p型阻挡层的条件型阻挡层的条件WmWsWm Ws 时，在半导体时，在半导体表面形成一个高阻区域，叫表面形成一个高阻区域，叫阻挡层阻挡层有外加有外加 V 时，表面势为时，表面势为(Vs)0V无外加无外加 V 时，表面势为时，表面势为(Vs)0电子势垒高度为电子势垒高度为V 与与(Vs)0 同符号时，阻挡层势垒提高同符号时，阻挡层势垒提高V 与与(Vs)0 反符号时，阻挡层势垒下降反符号时，阻挡层势垒下降外加电压对外加电压对 n 型阻挡层的影响型阻挡层的影响(a)V=0q nsqVD=q(Vs)0外加电压对外加电压对 n 型阻挡层的影响型
7、阻挡层的影响(b)V 0q nsqVq(Vs)0+V金属正，半导体负金属正，半导体负从半到金的电子数目增加，从半到金的电子数目增加，形成从金到半的正向电流，形成从金到半的正向电流，此电流由多子构成此电流由多子构成V,势垒下降越多，势垒下降越多，正向电流越大正向电流越大因因 Vs0(c)V 0金属负，半导体正金属负，半导体正-qVq nsq(Vs)0+V从半到金的电子数目减少，从半到金的电子数目减少，金到半的电子流占优势金到半的电子流占优势形成从半到金的反向电流形成从半到金的反向电流金属中的电子要越过很高的金属中的电子要越过很高的势垒势垒 q ns，所以反向电流很小，所以反向电流很小q ns不随
8、不随V变，所以从金到半的电子流恒定。变，所以从金到半的电子流恒定。V,反向电流饱和反向电流饱和阻挡层具有整流作用阻挡层具有整流作用对对p型阻挡层型阻挡层V0,金属正偏，形成反向电流金属正偏，形成反向电流1.厚阻挡层的厚阻挡层的扩散理散理论 对对n型阻挡层，当势垒的宽度比电子的型阻挡层，当势垒的宽度比电子的平均自由程大得多时，电子通过势垒区要发平均自由程大得多时，电子通过势垒区要发生多次碰撞。生多次碰撞。当势垒高度远大于当势垒高度远大于 kT 时，势时，势垒区可近似为一个耗尽层。垒区可近似为一个耗尽层。厚阻挡层厚阻挡层须同时考虑漂移和扩散须同时考虑漂移和扩散0 xdxq nsEF00VEn=q
9、n 耗尽层中，载流子极少，杂质全电耗尽层中，载流子极少，杂质全电离，空间电荷完全由电离杂质的电荷形成。离，空间电荷完全由电离杂质的电荷形成。这时的泊松方程是这时的泊松方程是若半导体是均匀掺杂的，那么耗尽层中的电若半导体是均匀掺杂的，那么耗尽层中的电荷密度也是均匀的，等于荷密度也是均匀的，等于qND。0势垒宽度势垒宽度V与与(Vs)0同号时，势垒高度提高，势垒宽度增大同号时，势垒高度提高，势垒宽度增大厚度依赖于外加电压的势垒，叫厚度依赖于外加电压的势垒，叫肖特基势垒肖特基势垒。考虑漂移和扩散，流过势垒的电流密度考虑漂移和扩散，流过势垒的电流密度V0 时，若时，若 qVkT,则则VkT,则则JsD
10、 随电压变化，不饱和随电压变化，不饱和金属半导体接触伏安特性金属半导体接触伏安特性VI扩散理论适用于扩散理论适用于迁移率小的半导体迁移率小的半导体 计算超越势垒的载流子数目（电流）计算超越势垒的载流子数目（电流）就是就是热电子发射理论热电子发射理论。2.热电子发射理论热电子发射理论N型阻挡层很薄时型阻挡层很薄时:电子的平均自由程远大于势垒宽度，电子的平均自由程远大于势垒宽度，扩散理论不再适用扩散理论不再适用.电电子在子在势垒势垒区区的的碰碰撞可忽略，撞可忽略，势垒势垒高度起作用高度起作用以以n型阻挡层为例，且假定势垒高度型阻挡层为例，且假定势垒高度 电子从金属到半导体所面临的势垒高度电子从金属
11、到半导体所面临的势垒高度不随外加电压变化。从金属到半导体的电不随外加电压变化。从金属到半导体的电子流所形成的电流密度子流所形成的电流密度J m s是个常量，它是个常量，它应与热平衡条件下，即应与热平衡条件下，即V=0时的时的 J s m大小大小相等，方向相反。因此，相等，方向相反。因此，有效理查逊常数有效理查逊常数热电子向真空发射的有效理查逊常数热电子向真空发射的有效理查逊常数由上式得到总电流密度为：由上式得到总电流密度为：Ge,Si,GaAs的迁移率高，自由程大，它们的的迁移率高，自由程大，它们的肖特基势垒中的电流输运机构，主要是多子肖特基势垒中的电流输运机构，主要是多子的热电子发射。的热电
12、子发射。热电子发射理论得到的伏安特性与扩散理论热电子发射理论得到的伏安特性与扩散理论的一致。的一致。3.镜象力和隧道效应的影响镜象力和隧道效应的影响锗检波器的反向特性锗检波器的反向特性若电子距金属表面的距离为若电子距金属表面的距离为x，则它与感应，则它与感应正电荷之间的吸引力，相当于该电子与位正电荷之间的吸引力，相当于该电子与位于于(x)处的等量正电荷之间的吸引力，这个处的等量正电荷之间的吸引力，这个正电荷称为正电荷称为镜象电荷镜象电荷。在金属在金属真空系统中，一个在金属外面的电子，真空系统中，一个在金属外面的电子，要在金属表面感应出正电荷，同时电子要受到要在金属表面感应出正电荷，同时电子要受
13、到正电荷的吸引。正电荷的吸引。（1）镜象力的影响）镜象力的影响镜象电荷电子xnx镜镜 象象 电电 荷荷这个吸引力称为这个吸引力称为镜象力镜象力，它应为，它应为把电子从把电子从x点移到无穷远处，电场力所做的功点移到无穷远处，电场力所做的功半导体和金属接触时，在耗尽层中，选半导体和金属接触时，在耗尽层中，选(EF)m为势能零点，由于镜像力的作用，电子的势能为势能零点，由于镜像力的作用，电子的势能qqns(EF)m0无镜象力有镜象力xm镜象势能平衡时镜象力对势垒的影响平衡时镜象力对势垒的影响x电势能在电势能在 xm 处出现极大值，这个极大处出现极大值，这个极大值发生在作用于电子上的镜象力和电场值发生
14、在作用于电子上的镜象力和电场力相平衡的地方，即力相平衡的地方，即若若 ,从上式得到从上式得到势垒顶向内移动，并且引起势垒的降低势垒顶向内移动，并且引起势垒的降低 q 。势能的极大值小于势能的极大值小于qns。这说明，镜象力使。这说明，镜象力使平衡时，平衡时，q 很小，可忽略很小，可忽略外加电压非平衡时，外加电压非平衡时，势垒极大值所对应的势垒极大值所对应的x值值当反向电压较高时，势垒的降低变得明显，当反向电压较高时，势垒的降低变得明显，镜象力的影响显得重要。镜象力的影响显得重要。势垒的降低量势垒的降低量镜象力所引起的势垒降低量随反向电压的增加镜象力所引起的势垒降低量随反向电压的增加而缓慢地增大
15、而缓慢地增大不考虑镜像力的影响时不考虑镜像力的影响时考虑镜像力的影响时考虑镜像力的影响时JsD中的中的变为变为V,JsD（2）隧道效应的影响）隧道效应的影响能量低于势垒顶的电子有一定概率穿过势垒，能量低于势垒顶的电子有一定概率穿过势垒，穿透的概率与电子能量和势垒厚度有关穿透的概率与电子能量和势垒厚度有关隧道效应的简化模型隧道效应的简化模型对于一定能量的电子，存在一个临界势垒厚度对于一定能量的电子，存在一个临界势垒厚度xc,若若 xdxc,则电子完全不能穿过势垒；则电子完全不能穿过势垒；若若 xdxc,则势垒对于电子完全透明，即势垒降低了则势垒对于电子完全透明，即势垒降低了.金属一边的有效势垒高
16、度为金属一边的有效势垒高度为-qV(x),若若xcxd隧道效应引起的势垒降低为隧道效应引起的势垒降低为反向电压较高时，势垒的降低才明显反向电压较高时，势垒的降低才明显镜像力和隧道效应对反向特性影响显著镜像力和隧道效应对反向特性影响显著引起势垒高度的降低，使反向电流增加引起势垒高度的降低，使反向电流增加反向电压越大，势垒降低越显著，反向电压越大，势垒降低越显著，反向电流越大反向电流越大4.肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管的正向电流，主要是肖特基势垒二极管的正向电流，主要是由半导体中的多数载流子进入金属形成由半导体中的多数载流子进入金属形成的，此二极管将有较低的正向导通电压，的，此
17、二极管将有较低的正向导通电压，一般为一般为03V左右，且有更好的高频特性。左右，且有更好的高频特性。利用金属半导体整流接触特性制成的二极管利用金属半导体整流接触特性制成的二极管 3 少数载流子的注入少数载流子的注入 和欧姆接触和欧姆接触1 少数载流子的注入少数载流子的注入 N型半导体的势垒和阻挡层都是对电子型半导体的势垒和阻挡层都是对电子而言，由于空穴所带电荷与电子电荷符号而言，由于空穴所带电荷与电子电荷符号相反，相反，电子的阻挡层就是空穴的积累层电子的阻挡层就是空穴的积累层。空穴的浓度在表面最大空穴的浓度在表面最大 空穴电流的大小，首先决定于阻挡层中空穴电流的大小，首先决定于阻挡层中的空穴浓
18、度。只要势垒足够高，靠近接触的空穴浓度。只要势垒足够高，靠近接触面的空穴浓度就可以很高。面的空穴浓度就可以很高。空穴自表面向内部扩散。正偏时，势垒降低，空穴自表面向内部扩散。正偏时，势垒降低，空穴扩散占优势，形成的电流与电子电流同向。空穴扩散占优势，形成的电流与电子电流同向。Ec(0)Ev(0)EcEFEvN型反型层中的载流子浓度型反型层中的载流子浓度如果在接触面附近，费米能级和价带顶的如果在接触面附近，费米能级和价带顶的距离距离则则 p(0)值应和值应和 n0 值相近，值相近，n(0)也近似等于也近似等于p0势垒中空穴和电子所处的情况几乎完全相势垒中空穴和电子所处的情况几乎完全相同，只是空穴
19、的势垒顶在阻挡层的内边界。同，只是空穴的势垒顶在阻挡层的内边界。在加正向电压时，空穴将流向半导体，但在加正向电压时，空穴将流向半导体，但它们并不能立即复合，必然要在阻挡层内界它们并不能立即复合，必然要在阻挡层内界形成一定的积累，然后再依靠扩散运动继续形成一定的积累，然后再依靠扩散运动继续进入半导体内部。进入半导体内部。(EF)mEc积累扩散少数少数载流载流子的子的积累积累上图说明这种积累的效果显然是阻碍空穴上图说明这种积累的效果显然是阻碍空穴的流动。因此，空穴对电流贡献的大小还的流动。因此，空穴对电流贡献的大小还决定于空穴进入半导体内扩散的效率。决定于空穴进入半导体内扩散的效率。在金属和在金属
20、和n型半导体的整流接触上加正电型半导体的整流接触上加正电压时，就有空穴从金属流向半导体。这种压时，就有空穴从金属流向半导体。这种现象称为现象称为少数载流子的注入少数载流子的注入。空穴从金属注入半导体，实质上是半空穴从金属注入半导体，实质上是半导体价带顶部附近的电子流向金属，填导体价带顶部附近的电子流向金属，填充金属中充金属中(EF)m以下的空能级，而在价带以下的空能级，而在价带顶附近产生空穴。顶附近产生空穴。2 欧姆接触欧姆接触金属半导体接触金属半导体接触整流接触肖特基势垒整流接触肖特基势垒非整流接触欧姆接触非整流接触欧姆接触欧姆接触欧姆接触是指这样的接触：它不产生明是指这样的接触：它不产生明
21、显的附近阻抗，而且不会使半导体内部显的附近阻抗，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。的平衡载流子浓度发生显著的改变。重掺杂的重掺杂的P-N结可以产生显著的隧道电流。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流，过隧道效应贯穿势垒产生相当大的隧道流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分。成分。利用隧道效应的原理在半导体上制造欧姆接触利用隧道效应的原理在半导体上制造欧姆接触当隧道电流占主导地位时，它的接触电当隧道电流占主导地位时，它的接触电阻可以很小，可以用作欧姆接触。阻可以很小，可以用作欧姆接触。