第七章金属和半导体的接触ppt课件.ppt
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1、第七章 金属和半导体的接触Metal-Semiconductor Contact,7.1 金属-半导体接触和能带图7.2 金-半接触整流理论7.3 少数载流子的注入和欧姆接触,1、金属与半导体形成的肖持基接触和欧姆接触,阻挡层与反阻挡层的形成;2、肖特基接触的电流电压特性扩散理论和热电子发射理论,即肖特基势垒的定量特性3、欧姆接触的特性。,两个要点:功函数和禁带宽度的不同金属/半导体接触能带图的变化;肖特基接触的整流特性即电流电压I-V特性。,一、金属和半导体的功函数Wm 、Ws,1、金属的功函数Wm,电子由金属内部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。,E0为真空中电子的能量,又称为真空能级
2、。,金属铯Cs的功函数最低1.93eV,Pt最高为5.36eV,6.1 金属-半导体接触和能带图,2、半导体的功函数Ws,E0与费米能级之差称为半导体的功函数。,用表示从Ec到E0的能量间隔:,称为电子的亲和能,它表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需要的最小能量。,Note: 半导体的费米能级随杂质浓度变化,所以, Ws也和杂质浓度有关。,二、金属与半导体的接触及接触电势差,1. 阻挡层接触,即半导体的费米能EFs高于金属的费米能EFm,金属的传导电子的浓度很高,10221023cm-3半导体载流子的浓度比较低,10101019cm-3,金属半导体接触前后能带图的变化:,接触前,半导体的费米
3、能级高于金属(相对于真空能级),半导体导带的电子有向金属流动的趋势,接触时(导线连接),费米能级一致,在两类材料的表面形成电势差Vms。,接触电势差:,-,-,-,-,-,-,紧密接触时,形成空间电荷区,接触电势差降落在空间电荷区 :,半导体一边的势垒高度为:,金属一边的势垒高度为:,半导体体内电场为零,在空间电荷区电场方向由内向外,半导体表面势Vs0,金属一边的势垒高度为:,Vs,Wm,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,是一个高阻区域,称为阻挡层。电子必须跨越的界面处势垒通常称为肖特基势垒(Schottky barrier),金属与N型半导体接触时,若WmWs,电子
4、向金属流动,稳定时系统费米能级统一,在半导体表面一层形成正的空间电荷区,能带向上弯曲,形成电子的表面势垒。,金属和p型半导体WmWs 空穴阻挡层,空穴向下能量增加,在P型半导体多子是空穴,半导体多子流向金属后,留下带负电的电离受主杂质,即空间电荷区,能带向下弯曲。,(2)金属p型半导体接触的阻挡层,势垒高度,(3)金属半导体接触的阻挡层,阻挡层,在半导体的势垒区形成的空间电荷区,它主要由正的电离施主杂质或负的电离受主形成,其多子浓度比体内小得多,是一个高阻区域,在这个区域能带向上或向下弯曲形成电子或空穴的阻挡。,2. 反阻挡层接触,金属与N型半导体接触时,若Wm 0,能带向下弯曲。,(1)金属
5、与N型半导体接触,在半导体表面,相当有个电子的势阱(积累区),多子电子的浓度比体内大得多,是一个高电导区,即电子反阻挡层。,(2)金属与P型半导体接触,金属与P型半导体接触时,若WmWs,空穴将从金属流向半导体表面,在半导体表面形成正的空间电荷区,电场方向由体内指向表面,Vs0,能带向上弯曲,这里空穴浓度比体内大得多,因而是一个高电导的区域,称之为反阻挡层,即空穴反阻挡层。,上述金半接触模型即为Schottky 模型,Note: 反阻挡层是很薄的高电导层,对半导体和 金属的接触电阻的影响很小。,金属与n半导体的接触,WmWs,WmWs,1、施主浓度ND=1017cm-3的n-GaAs,室温下功
6、函数是多少?它分别和Al,Au接触时形成阻挡层还是反阻挡层?GaAs的电子亲和能4.07eV, WAl=4.25eV, WAu=4.80eV,解:室温下杂质全电离,则:,解得 En=0. 04eV,故 Ws=4.07+0.04=4.11eV,WAu和WAl均大于Ws,所以形成阻挡层,例:,1016,金属到半导体边的势垒高度:,实测值大很多:,对于同一种半导体材料,亲和能 c 将保持不变,与不同的金属形成接触:,金属一边的势垒:,问题:,原因:半导体表面态对接触势垒的影响,表 面 态:局域在表面附近的新电子态,它的存 在导致表面能级的产生。表面能级:与表面态相应的能级称为表面能级。,理想晶体自由
7、表面达姆表面能级(1932年) 1015/cm2晶体表面缺陷或吸附原子附加表面能级,三、表面态对接触势垒的影响,施主型:能级被电子占据时呈电中性,施放电子后呈正电受主型:能级空时为电中性,而接受电子后带负电,表面态一般分施主型和受主型:,表面态分布示意图,设一个n型半导体的表面存在表面态。半导体的费米能级EF 高于表面能级EFS,如果EFS以上存在受主表面态,则会导致如下效应:,在EF和EFS之间的能级基本被电子填满,表面带负电,而表面附近会出现正电荷,形成正的空间电荷区,形成电子势垒。,金属半导体接触前:,Ws = c + En,能带弯曲量 qVD=EF - EFS,表面态密度很大时,表面积
8、累很多负电荷,能带向上弯曲程度越大,表面处EF接近EFS,存在表面态时,Ws由表面性质决定,不存在表面态时,,高表面态密度钉扎(pinned),金属与半导体接触后,WmWs,表面态提供电子流向金属,半导体表面态密度很高时:表面态可放出足够多的电子,几乎不影响势垒区,可以屏蔽金属接触的影响,半导体内部的势垒高度和金属的功函数几乎无关,基本上由半导体表面的性质决定,在表面态密度大于1013cm-2,则表面处的费米能级位于禁带的1/3处(相对于价带顶),这个位置称为巴丁极限。,6.2 金-半接触整流理论,1、阻挡层的整流特性 外加电压对阻挡层的作用,金属/n半导体接触能带图,采用理想的模型,不考虑表
9、面态的影响,Wm-Ws=qVd,金半接触系统的阻挡层 没有净电流,净电流:,不外加电压,处于平衡:,qVd= - q(Vs)0,半导体边势垒:,qns,外加正电压,半导体边势垒减小,外加负电压,半导体边势垒增加,qns,q(Vd-V),q(Vd+V),半导体边势垒:,q(Vd -V)= - q(Vs)0+V,半导体边势垒:,半导体边势垒:,q(Vd +V)= - q(Vs)0 - V,外加电压时:,金属边的势垒不随外加电压变化,加上正向电压在n型阻挡层(金属一边为正)时:,半导体一边的电子势垒高度减低,势垒宽度减薄,多子电子从半导体流向金属的数目变多,从金属流向半导体的正向电流变大,随电压增加
10、而变得越大,外加电压时:,q(Vd -V)= - q(Vs)0+V,金属边的势垒不随外加电压变化,半导体边势垒:,加上反向电压(金属一边为负)时:,半导体一边的电子的势垒高度增加,半导体到金属的电子数目减少,相反金属到半导体的电子流占优势,形成由半导体到金属的反向电流。,进一步增加反向电压,金属到半导体的势垒高,反向电流小,且与外加电压无关,随电压增加而饱和,q(Vd +V)= - q(Vs)0 - V,半导体边势垒:,不论电子阻挡层,还是空穴阻挡层,正向电流都是多数载流子从半导体流向金属,肖特基结的整流特性,势垒区中存在电场,有电势的变化,导致载流子浓度的不均匀。计算通过厚阻挡层势垒的电流时
11、,必须同时考虑漂移和扩散运动。,2、整流理论I-V特性,对于n型阻挡层,当势垒宽度比电子的平均自由程大得多,即xd ln时,电子通过势垒区将发生多次碰撞厚阻挡层。扩散理论适用于厚阻挡层。,(1)扩散理论 Diffusion Theory,简化模型 (耗尽层近似):势垒高度qVDk0T势垒区内的载流子浓度0空间电荷完全由电离杂质电荷形成均匀掺杂,0,N型半导体的耗尽层,xd :耗尽层的宽度ND:是施主掺杂浓度, 电势在半导体中的分布,耗尽层,则电荷密度分布:,边界条件:,半导体内部电场为零,以金属费米能级处为电势零点(-EFm/q),积分得:,积分得:,电场分布,电势分布,外加电压V在金属上:,
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