半导体物理 第七章

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2. 外加反向电压时的 型阻挡层 金属一边接负 外加反向电压时的n型阻挡层 金属一边接负) 型阻挡层(金属一边接负 势垒由 qV D = − q (Vs ) 0增高为 − q[(Vs ) 0 + V ] 。从半导 体到金属的电子数目减少，金属到半导体的电子流占优势， 形成一股由半导体到金属的反向电流 半导体到金属的反向电流。由于金属中的电子 半导体到金属的反向电流 qφns 要越过相当高的势垒 才能到达半导体中，因此反向电 流是很小 很小的。从图中看出，金属一边的势垒不随外加电压 很小 金属一边的势垒不随外加电压 变化，所以从金属到半导体的电子流是恒定 恒定的。当反向电 变化 恒定 压提高，使半导体到金属的电子流可以忽略不计时，反向 电流将趋于饱和值 饱和值。如下图所示。 饱和值 以上的讨论说明这样的阻挡层具有类似pn结的伏-安 特性，即有整流作用 整流作用。 整流作用
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(Vs ) 0 > 0
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三、整流理论的种类
扩散理论(肖特基提出)：对于n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生多次 碰撞，这样的阻挡层称为厚阻挡层 厚阻挡层。扩散理论正是适用于 厚阻挡层 厚阻挡层理论； 热电子发射理论(贝特提出)：当n型阻挡层很薄，以至于电 子平均自由程远大于势垒宽度时，电子在势垒区的碰撞可 以忽略，因此，势垒的性质不重要，起决定作用的是势垒 高度，扩散理论不再适用，适用的是热电子发射理论； 热电子发射与扩散的综合理论(施敏提出) 考虑镜像力与隧道效应的影响来修正整流理论。 考虑镜像力与隧道效应的影响来修正整流理论。
在半导体表面形成一个正的空间电荷区，其中电场方 向由体内指向表面，Vs<0，使半导体表面电子的能量高于 体内，能带向上弯曲 向上弯曲，即形成表面势垒，如下图所示。 向上弯曲 在势垒区，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度 比体内小得多，因此它是一个高阻区域 高阻区域，称为阻挡层 阻挡层。 高阻区域 阻挡层 n型半导体的势垒和阻挡层都是对电子而言的，由于 空穴所带电荷与电子电荷符号相反，电子的阻挡层就是空 穴的积累层。
χ = E0 − Ec
Ws = ( E0 − Ec ) + [Ec − ( E F ) s ] = χ + En
其中，En = Ec − ( EF ) s
半导体的功函数和电子亲和能
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二、 接触电势差
接触前： F ) s > ( EF ) m (E
( EF ) s − ( EF ) m = Wm − Ws
第七章 金属和半导体的接触
7.1 金属半导体接触及其能级图 7.2 金属半导体接触整流理论 7.3 少数载流子的注入和欧姆接触 少数载流子的注入和欧姆接触
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本章重点
阻挡层与反阻挡层的形成 整流理论 欧姆接触
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金属半导体接触及其能级图 7.1 金属半导体接触及其能级图
一、 金属和半导体的功函数
(一) 真空能级 0 一 真空能级E 真空中静止电子的能量。表示电子跑出材料外进入真 空中所必须具有的最低能量。它对所有的材料都是相同 的。
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金属中的电子势阱
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金属中的电子虽然能在金属中自由运动，但绝大多数 所处的能级都低于体外能级。要使电子从金属中逸出，必 须由外界给它以足够的能量。所以，金属内部的电子是在 一个势阱 势阱中运动。 势阱 2. 半导体的功函数Ws 半导体的功函数
Ws = E0 − ( EF ) s
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(三) 电子亲和能 三 电子亲和能χ 指将一个电子从导带底 导带底转移到真空能级所需的能量。 导带底 它因材料的种类而异，决定于材料本身的性质 材料本身的性质，和其它外 材料本身的性质 界因素无关：
(Vs )0 < 0
如下图所示。
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(二) 外加电压时的 型阻挡层 二 外加电压时的n型阻挡层 在紧密接触的金属和半导体之间，外加电压V于金 属，由于阻挡层是一个高阻区域 高阻区域，因此电压主要降落在阻 高阻区域 挡层上。原来半导体表面和内部之间的电势差，即表面势 是 (Vs ) 0，现在应为 ((Vs )0 + V ) ，因此电子势垒高度是：
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能带向 上弯曲
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三、 势垒高度
忽略间隙中的电势差时的极限情形(如上图所示)：
其中，Vs称为表面势 表面势，是半导体表面和内部之间存在的 表面势 电势差。
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四、 阻挡层和反阻挡层的形成
(一) 金属与 型半导体接触的情形 一 金属与n型半导体接触的情形
1. n型(或电子)阻挡层的形成(Wm > Ws )
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四、肖特基势垒二极管
(一) 概念 一 肖特基势垒：势垒宽度依赖于外加电压的势垒； 肖特基势垒 肖特基势垒二极管：利用金属－半导体整流接触特性制成的 肖特基势垒二极管 二极管。
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(二)肖特基势垒二极管与 结二极管的异同点 二 肖特基势垒二极管与pn结二极管的异同点 肖特基势垒二极管与 1. 相同点 具有类似的电流—电压关系，即它们都有单向导电性。 2. 区别点 就载流子的运动形式 运动形式而言，pn结正向导通时，由p区注入n 运动形式 区的空穴或由n区注入p区的电子，都是少数载流子 少数载流子，它们 少数载流子 先形成一定的积累，然后靠扩散运动形成电流。这种注入 的非平衡载流子的积累称为电荷存贮效应 电荷存贮效应，它严重地影响 电荷存贮效应 了pn结的高频性能。而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 多数载流子进入金属形成的。它是多数 多数载流子 载流子器件。因此，肖特基势垒二极管比pn结二极管有更 好的高频特性 高频特性。 高频特性
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(二) 功函数 二 指将一个电子从费米能级 费米能级转移到真空能级所需的能量。 费米能级 其大小标志着束缚电子的强弱，功函数越大，电子越不容 易离开材料。 1. 金属功函数 m 金属功函数W
Wm = E0 − ( EF ) m
表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出 到真空中所需的最小能量。
指阻挡层的整流理论。
一、外加电压对n型阻挡层的影响 外加电压对 型阻挡层的影响
(一) 处于平衡态的 型阻挡层 一 处于平衡态的n型阻挡层 对于处于平衡态的阻挡层，从半导体进入金属的电子 流和从金属进入半导体的电子流大小相等，方向相反，构 成动态平衡，因此阻挡层中没有净电流流过 阻挡层中没有净电流流过。 阻挡层中没有净电流流过 对于n型阻挡层，其表面势：
− q[(Vs ) 0 + V ]
当V与原来表面势符号相同时，阻挡层势垒将提高，否则 势垒将下降。 外加电压后，半导体和金属不再处于相互平衡的状态， 两者没有统一的费米能级，半导体内部费米能级和金 属费米能级之差，等于由外加电压引起的静电势能差。
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1. 外加正向电压时的 型阻挡层 金属一边接正 外加正向电压时的n型阻挡层 金属一边接正) 型阻挡层(金属一边接正 半导体一边的势垒由 qVD = −q (Vs ) 0降低为− q[(Vs ) 0 + V ] 这时，从半导体到金属的电子数目增加，超过从金属到半 导体的电子数，形成一股从金属到半导体的正向电流 金属到半导体的正向电流，它 金属到半导体的正向电流 是由n型半导体中多数载流子 多数载流子构成的。外加电压越高，势 多数载流子 垒下降越多，正向电流越大。如下图所示
qV J = J sT exp k T − 1 0
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少数载流子的注入和欧姆接触 7.3 少数载流子的注入和欧姆接触
少子注入(n型半导体)：在金属和n型半导体的整流接触 少子注入 上加正向电压时，就有空穴从金属流向半导体。这种现象称 为少数载流子的注入。
一、欧姆接触的定义
欧姆接触是金属与半导体之间形成的非整流接触 非整流接触，它 非整流接触 不产生明显 明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载 明显 流子浓度发生显著 显著的改变。 显著 接触电阻与半导体样品 从电学上讲，理想欧姆接触的接触电阻 接触电阻 或器件的相比应当很小，当有电流流过时，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，或者说，电流—电压特性是由 样品的电阻或器件的特性决定的。 28
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二、外加电压对p型阻挡层的影响 外加电压对 型阻挡层的影响
类似地，讨论p型阻挡层的情况。区别点是表面势： 因此，正向电压和反向电压的极性正好与n型阻挡层相反： V<0 (金属加负电压)时，形成从半导体流向金属的正向电 流； V>0 (金属加正电压)时，形成从半导体流向金属的反向电 流； 无论是哪种阻挡层，正向电流都相应于多数载流子 多数载流子由半 无论是哪种阻挡层，正向电流都相应于多数载流子由半 导体到金属所形成的电流。 导体到金属所形成的电流。
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对于相同的势垒高度，肖特基二极管的JsD或JsT要比pn结的 反向饱和电流Js大得多。即对于同样的使用电流，肖特基 势垒二极管将有较低的正向导通电压，一般为0.3V。
qV J = J s exp k T − 1 0 qV J = J sD exp k T − 1 0
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Vs<0
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2. n型(或电子)反阻挡层的形成(Wm < Ws )
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qφns = χ − Wm
Vs>0
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(二) 金属与 型半导体接触的情形 二 金属与p型半导体接触的情形 该情形下，形成阻挡层或反阻挡层的条件正好与n型 的相反：
1. p型(或空穴)反阻挡层的形成(Wm > Ws )
qφns = Wm − χ qV = W − W D m s
二、欧姆接触的制造
在生产实际中，主要是利用隧道效应 隧道效应的原理在半导体 隧道效应 上制造欧姆接触。 最常用的制作方法是用重掺杂 重掺杂的半导体与金属接触： 重掺杂 在n型或p型半导体上制作一层重掺杂区后再与金属接触， 形成金属-n+-n或金属-p+-p结构； 由于有n+、p+层，金属的选择比较自由； 制作方法有多种，如蒸发、溅射、电镀等。
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2. p型(或空穴)阻挡层的形成(Wm < Ws )
qφns = χ − Wm
Ws − Wm
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(三) 总结：n型与 型阻挡层的形成条件 三 总结： 型与p型阻挡层的形成条件 型与
n型
p型 反阻挡层 阻挡层
Wm > Ws
Wm < Ws
阻挡层 反阻挡层
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金属半导体接触整流理论 7.2 金属半导体接触整流理论