半導(dǎo)體第七章金屬和半導(dǎo)體的接觸ppt課件.ppt

第七章金屬和半導(dǎo)體的接觸,1,本章內(nèi)容,金屬和半導(dǎo)體接觸（4學(xué)時）金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖；少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸。重點(diǎn)：金屬和半導(dǎo)體之間接觸的能帶圖，少數(shù)載流子的注入過程和形成歐姆接觸的必要條件。,2,7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖,金屬功函數(shù),7.1.1金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù),金屬中的電子雖然能在金屬中自由運(yùn)動，但絕大多數(shù)所處的能級都低于體外能級。,3,金屬功函數(shù)隨原子序數(shù)的遞增呈現(xiàn)周期性變化,4,關(guān)于功函數(shù)的幾點(diǎn)說明:對金屬而言,功函數(shù)Wm可看作是固定的.功函數(shù)Wm標(biāo)志了電子在金屬中被束縛的程度.對半導(dǎo)體而言,功函數(shù)與摻雜有關(guān)功函數(shù)與表面有關(guān).功函數(shù)是一個統(tǒng)計(jì)物理量。,5,半導(dǎo)體的功函數(shù)Ws,E0與費(fèi)米能級之差稱為半導(dǎo)體的功函數(shù)。,Ec,(EF)s,Ev,E0,Ws,表示從Ec到E0的能量間隔：,稱為電子的親和能，它表示要使半導(dǎo)體導(dǎo)帶底的電子逸出體外所需要的最小能量。,En,Ep,6,故其中,對半導(dǎo)體，電子親和能是固定的，功函數(shù)與摻雜有關(guān),7,半導(dǎo)體功函數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系n型半導(dǎo)體:p型半導(dǎo)體:,8,7.1.2接觸電勢差,設(shè)想有一塊金屬和一塊n型半導(dǎo)體，并假定金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)，即：,接觸前：,Ec,(EF)s,Ev,E0,Ws,En,Wm,(EF)m,9,金屬和半導(dǎo)體間距離D遠(yuǎn)大于原子間距,由于WmWs，即EFmWs，半導(dǎo)體表面形成正的空間電荷區(qū)，電場由體內(nèi)指向表面，Vs0若金屬接電源正極，n型半導(dǎo)體接電源負(fù)極，則外加電壓降方向由金屬指向半導(dǎo)體，外加電壓方向和接觸表面勢方向相反，使勢壘高度下降，電子順利的流過降低了的勢壘。從半導(dǎo)體流向金屬的電子數(shù)超過從金屬流向半導(dǎo)體的電子數(shù)，形成從金屬流向半導(dǎo)體的正向電流。,26,（3）V0時，若qVk0T，則當(dāng)Vk0T，則該理論適用于遷移率較小，平均自由程較短的半導(dǎo)體，如氧化亞銅。,31,32,當(dāng)n型阻擋層很薄，電子平均自由程遠(yuǎn)大于勢壘寬度。起作用的是勢壘高度而不是勢壘寬度。電流的計(jì)算歸結(jié)為超越勢壘的載流子數(shù)目。假定，由于越過勢壘的電子數(shù)只占半導(dǎo)體總電子數(shù)很少一部分，故半導(dǎo)體內(nèi)的電子濃度可以視為常數(shù)。討論非簡并半導(dǎo)體的情況。,熱電子發(fā)射理論,33,針對n型半導(dǎo)體，電流密度,其中理查遜常數(shù),Ge、Si、GaAs有較高的載流子遷移率，有較大的平均自由程，因此在室溫下主要是多數(shù)載流子的熱電子發(fā)射。,34,兩種理論結(jié)果表示的阻擋層電流與外加電壓變化關(guān)系基本一致，體現(xiàn)了電導(dǎo)非對稱性正向電壓，電流隨電壓指數(shù)增加；負(fù)向電壓，電流基本不隨外加電壓而變化JSD與外加電壓有關(guān)；JST與外加電壓無關(guān)，強(qiáng)烈依賴溫度T。當(dāng)溫度一定，JST隨反向電壓增加處于飽和狀態(tài)，稱之為反向飽和電流。,35,鏡像力和隧道效應(yīng)的影響,36,鏡像力的影響,37,隧道效應(yīng)微觀粒子要越過一個勢壘時，能量超過勢壘高度的微粒子，可以越過勢壘，而能量低于勢壘高度的粒子也有一定的概率穿過勢壘，其他的則被反射。這就是所謂微粒子的隧道效應(yīng)。,38,隧道效應(yīng)的影響,結(jié)論：只有在反向電壓較高時，電子的動能較大，使有效勢壘高度下降較多，對反向電流的影響才是顯著的。,39,肖特基勢壘二極管與p-n結(jié)的相同點(diǎn)：單向?qū)щ娦浴Ｅcp-n結(jié)的不同點(diǎn)：（1）多數(shù)載流子器件和少數(shù)載流子器件（2）無電荷存貯效應(yīng)和有電荷存貯效應(yīng)（3）高頻特性好。（4）正向?qū)妷盒　?40,肖特基二極管JsD和JsT比p-n結(jié)反向飽和電流Js大得多。即肖特基二極管有較低的正向?qū)妷?。用途：鉗位二極管(提高電路速度)等。,41,n型阻擋層，體內(nèi)電子濃度為n0，接觸面處的電子濃度是電子的阻擋層就是空穴積累層。在勢壘區(qū)，空穴的濃度在表面處最大。體內(nèi)空穴濃度為p0，則表面濃度為,7.3少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸,7.3.1少數(shù)載流子的注入,42,加正壓時，勢壘降低，形成自外向內(nèi)的空穴流，形成的電流與電子電流方向一致。空穴電流大小，取決于阻擋層的空穴濃度。,43,平衡時，如果接觸面處有此時若有外加電壓，p(0)將超過n0，則空穴電流的貢獻(xiàn)就很重要了。加正向電壓時，少數(shù)載流子電流與總電流值比稱為少數(shù)載流子的注入比，用表示。,44,加正電壓時，勢壘兩邊界處的電子濃度將保持平衡值，而空穴在阻擋層內(nèi)界形成積累，然后再依靠擴(kuò)散運(yùn)動繼續(xù)進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)部。對n型阻擋層而言,45,7.2.2歐姆接觸,定義不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，而且不會使半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著的變化。當(dāng)有電流經(jīng)過時，歐姆接觸上的電壓降應(yīng)遠(yuǎn)小于樣品或者器件本身的壓降，即電流-電壓特性是由樣品的電阻或者器件的特性決定的。,46,實(shí)現(xiàn)反阻擋層沒有整流作用，但由于常見半導(dǎo)體材料一般都有很高的表面態(tài)密度，因此很難用選擇金屬材料的辦法來獲得歐姆接觸。隧道效應(yīng)：重?fù)诫s的半導(dǎo)體與金屬接觸時，則勢壘寬度變得很薄，電子通過隧道效應(yīng)貫穿勢壘產(chǎn)生大隧道電流，甚至超過熱電子發(fā)射電流而成為電流的主要成分，即可形成接近理想的歐姆接觸。,47,接觸電阻：零偏壓下的微分電阻把導(dǎo)帶底Ec選作電勢能的零點(diǎn)，可得,48,電子的勢壘為令y=d0-x，則,49,根據(jù)量子力學(xué)中的結(jié)論，x=d0處導(dǎo)帶底電子通過隧道效應(yīng)貫穿勢壘的隧道概