第七章-金屬和半導(dǎo)體的接觸ppt課件

1、.第第 七七 章章 金金 屬屬 和和 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 的的 接接 觸觸Metal-Semiconductor Contact. 1、金屬與半導(dǎo)體形成的肖持基接觸和金屬與半導(dǎo)體形成的肖持基接觸和歐姆接觸歐姆接觸，阻擋層與反阻擋層的形成；，阻擋層與反阻擋層的形成； 2、肖特基接觸的電流肖特基接觸的電流電壓特性電壓特性擴(kuò)散理論和熱電子發(fā)射理論擴(kuò)散理論和熱電子發(fā)射理論，即肖特基，即肖特基勢壘的定量特性；（勢壘的定量特性；（詳細(xì)闡述詳細(xì)闡述） 3、歐姆接觸的特性。、歐姆接觸的特性。主要內(nèi)容（主要內(nèi)容（三大點，約三大點，約10課時課時）：）：.2、MESFET( metal-semiconductor

2、field-effect transistor) 具有與具有與MOSFET相似的相似的電流電壓電流電壓特性特性，但在器件的柵，但在器件的柵(gate)上電極部分利用金屬上電極部分利用金屬半導(dǎo)體的整流接觸取代了半導(dǎo)體的整流接觸取代了MOSFET的的MOS結(jié)結(jié)構(gòu)；用歐姆接觸取代構(gòu)；用歐姆接觸取代MOSFET的的p-n結(jié)。結(jié)。一、概述：一、概述：1 1、在微電子和光電子器件中，半導(dǎo)體材料和、在微電子和光電子器件中，半導(dǎo)體材料和金金屬屬、半導(dǎo)體以及、半導(dǎo)體以及絕緣體絕緣體的各種接觸是普遍存在的各種接觸是普遍存在的，如的，如MOS器件、肖特基二極管、氣體傳感器器件、肖特基二極管、氣體傳感器等。薄膜技術(shù)及

3、納米技術(shù)的發(fā)展，使得等。薄膜技術(shù)及納米技術(shù)的發(fā)展，使得界面接界面接觸觸顯得更加重要。顯得更加重要。.3 3、第一個實際的半導(dǎo)體器件就是點接觸整流性、第一個實際的半導(dǎo)體器件就是點接觸整流性的金半接觸，就是將細(xì)須狀金屬壓在半導(dǎo)體表面的金半接觸，就是將細(xì)須狀金屬壓在半導(dǎo)體表面。從。從19041904年起，該器件有許多不同的應(yīng)用。年起，該器件有許多不同的應(yīng)用。1938年，年，Schottky提出其整流作用，可能由半導(dǎo)提出其整流作用，可能由半導(dǎo)體中穩(wěn)定的體中穩(wěn)定的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)所產(chǎn)生的電勢能差引起的，所產(chǎn)生的電勢能差引起的，由此所建立的模型稱肖特基勢壘（由此所建立的模型稱肖特基勢壘（Schottk

4、y barrier).4、兩個要點兩個要點：功函數(shù)和禁帶寬度的不同金屬功函數(shù)和禁帶寬度的不同金屬/半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體接觸能帶能帶圖圖的變化；的變化；肖特基接觸的整流特性即電流電壓肖特基接觸的整流特性即電流電壓I-V特性。特性。.二、金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)二、金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)Wm 、Ws1 1、金屬的功函數(shù)、金屬的功函數(shù)Wm表示一個起始能量等于費米能級的電子，由表示一個起始能量等于費米能級的電子，由金屬內(nèi)部逸出到表面外的真空中所需要的金屬內(nèi)部逸出到表面外的真空中所需要的最最小能量小能量。E0(EF)mWm0()mFmWEE即：E0為真空中靜止電子的為真空中靜止電子的能量，又稱為真空能級。能量，又

5、稱為真空能級。 金屬銫金屬銫Cs的功函數(shù)最低的功函數(shù)最低1.93eV，PtPt最高為最高為5.36eV.2 2、半導(dǎo)體的功函數(shù)、半導(dǎo)體的功函數(shù)WsE0與費米能級之差稱為半導(dǎo)體與費米能級之差稱為半導(dǎo)體的功函數(shù)。的功函數(shù)。0()sFsWEE即：用用表示從表示從Ec到到E0的能量間隔：的能量間隔：0cEE稱稱為電子的為電子的親和能親和能，它表示要使半導(dǎo)體，它表示要使半導(dǎo)體導(dǎo)帶導(dǎo)帶底底的電子逸出體外所需要的的電子逸出體外所需要的最小最小能量。能量。Ec(EF)sEvE0WsEn. N型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：scFnsWEEE式中：式中：()ncFsEEE P型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：()pFsvEEE()soF

6、sgpWEEEE式中：式中：Note: 和金屬不同的是，半導(dǎo)體的費米能級隨雜和金屬不同的是，半導(dǎo)體的費米能級隨雜質(zhì)濃度變化，所以，質(zhì)濃度變化，所以，Ws也和也和雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度有關(guān)有關(guān)。Ec(EF)sEvE0WsEn.半導(dǎo)體半導(dǎo)體金屬金屬半導(dǎo)體半導(dǎo)體金屬金屬What?能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化新的物理效應(yīng)新的物理效應(yīng)和應(yīng)用和應(yīng)用3 3、金屬、金屬/ /半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體接觸.三、金屬與半導(dǎo)體的接觸及接觸電勢差三、金屬與半導(dǎo)體的接觸及接觸電勢差1. 阻擋層接觸阻擋層接觸金金屬屬n半導(dǎo)半導(dǎo)體體mWFmEsWnEvEcEFsE0E設(shè)想有一塊金屬和一塊設(shè)想有一塊金屬和一塊n型型半導(dǎo)體，并假定半導(dǎo)體

7、，并假定金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)，即：金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)，即：（1）msWW即半導(dǎo)體的費米能即半導(dǎo)體的費米能EFs高于金屬的費米能高于金屬的費米能EFm金屬的傳導(dǎo)電子的濃度金屬的傳導(dǎo)電子的濃度很高很高，10221023cm-3半導(dǎo)體載流子的濃度比半導(dǎo)體載流子的濃度比較低較低，10101019cm-3.金屬半導(dǎo)體接觸前后金屬半導(dǎo)體接觸前后能帶圖能帶圖的變化：的變化：接觸后接觸后，金屬和半導(dǎo)體的費，金屬和半導(dǎo)體的費米能級應(yīng)該在同一水平，半米能級應(yīng)該在同一水平，半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子必然必然要流向要流向金屬，而達(dá)到統(tǒng)一的費米能金屬，而達(dá)到統(tǒng)一的費米能接觸前接觸前，半導(dǎo)體的費

8、米能，半導(dǎo)體的費米能級高于金屬（相對于真空級高于金屬（相對于真空能級），所以半導(dǎo)體導(dǎo)帶能級），所以半導(dǎo)體導(dǎo)帶的電子有向金屬流動的的電子有向金屬流動的可可能能WmEFmWsE0EcEFsEv接觸前接觸前接觸后接觸后qVDEFEFEvEcmqxdE0.在接觸在接觸開始開始時，金屬和半導(dǎo)體的間距大于原子的時，金屬和半導(dǎo)體的間距大于原子的間距，在兩類材料的表面形成電勢差間距，在兩類材料的表面形成電勢差Vms。smmsmsWWVVVq接觸電勢差：接觸電勢差：緊密接觸緊密接觸后，電荷的流動使得在半導(dǎo)體表面相當(dāng)后，電荷的流動使得在半導(dǎo)體表面相當(dāng)厚的一層形成正的厚的一層形成正的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)。空間電荷區(qū)

9、形成?？臻g電荷區(qū)形成電場，其電場在界面處造成電場，其電場在界面處造成能帶彎曲能帶彎曲，使得半導(dǎo)，使得半導(dǎo)體表面和內(nèi)部存在體表面和內(nèi)部存在電勢差電勢差，即，即表面勢表面勢Vs。接觸電。接觸電勢差分降在勢差分降在空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)和金屬與半導(dǎo)體和金屬與半導(dǎo)體表面之間表面之間。但當(dāng)忽略接觸間隙時，電勢主要降在。但當(dāng)忽略接觸間隙時，電勢主要降在空間電荷空間電荷區(qū)區(qū)。.現(xiàn)在考慮忽略間隙中的電勢差時的現(xiàn)在考慮忽略間隙中的電勢差時的極限極限情形情形:半導(dǎo)體一邊的勢壘高度為：半導(dǎo)體一邊的勢壘高度為：DsmsqVqVWW 金屬一邊的勢壘高度為：金屬一邊的勢壘高度為：mnDnsnmsnmqqVEqVEWWEW

10、半導(dǎo)體體內(nèi)電場為零，在空半導(dǎo)體體內(nèi)電場為零，在空間電荷區(qū)電場方向間電荷區(qū)電場方向由內(nèi)向外由內(nèi)向外，半導(dǎo)體表面勢半導(dǎo)體表面勢Vs0mqEFEvqVDEcE電場電場.在勢壘區(qū)，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃在勢壘區(qū)，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度比體內(nèi)小得多，是一個高阻區(qū)域，稱為度比體內(nèi)小得多，是一個高阻區(qū)域，稱為阻擋層阻擋層。界面處的勢壘通常稱為界面處的勢壘通常稱為肖特基勢壘。肖特基勢壘。mqEFEvqVDEcE電場電場所以：所以：金屬與金屬與N型型半導(dǎo)體接觸時半導(dǎo)體接觸時，若，若WmWs，即半導(dǎo)體，即半導(dǎo)體的費米能級高于金屬，電的費米能級高于金屬，電子向金屬流動，穩(wěn)定時系子向金屬流動

11、，穩(wěn)定時系統(tǒng)費米能級統(tǒng)一，在半導(dǎo)統(tǒng)費米能級統(tǒng)一，在半導(dǎo)體表面一層形成體表面一層形成正的空間正的空間電荷區(qū)電荷區(qū)，能帶向上彎曲，能帶向上彎曲，形成電子的表面勢壘。形成電子的表面勢壘。.金屬與金屬與P型型半導(dǎo)體接觸時，若半導(dǎo)體接觸時，若WmWs，即金屬，即金屬的費米能級比半導(dǎo)體的費米能級高，半導(dǎo)體的的費米能級比半導(dǎo)體的費米能級高，半導(dǎo)體的多子空穴多子空穴流向金屬，使得金屬表面帶正電，半流向金屬，使得金屬表面帶正電，半導(dǎo)體表面帶導(dǎo)體表面帶負(fù)電負(fù)電，半導(dǎo)體表面能帶向下彎曲，半導(dǎo)體表面能帶向下彎曲，形成空穴的形成空穴的表面勢壘表面勢壘。（2）金屬）金屬p型型半導(dǎo)體接觸的阻擋層半導(dǎo)體接觸的阻擋層在半導(dǎo)體的

12、勢壘區(qū)，在半導(dǎo)體的勢壘區(qū)，空間電荷空間電荷主要由負(fù)的電離受主要由負(fù)的電離受主形成，其多子空穴濃度比體內(nèi)小得多，也是一主形成，其多子空穴濃度比體內(nèi)小得多，也是一個高阻區(qū)域，形成空穴個高阻區(qū)域，形成空穴阻擋層阻擋層。.金屬和金屬和p型型半導(dǎo)體半導(dǎo)體WmWs金屬與金屬與P型型半導(dǎo)體半導(dǎo)體, , WmWs阻擋層阻擋層.2. 2. 反阻擋層接觸反阻擋層接觸金屬與金屬與N型半導(dǎo)體接觸時，若型半導(dǎo)體接觸時，若Wm0，能帶向，能帶向下彎曲。這里電子濃度比體內(nèi)大得多，因而是一下彎曲。這里電子濃度比體內(nèi)大得多，因而是一個高電導(dǎo)的區(qū)域，稱之為反阻擋層，即電子反阻個高電導(dǎo)的區(qū)域，稱之為反阻擋層，即電子反阻擋層。擋層。

13、（1 1）金屬與）金屬與N型型半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體接觸.WmEFmWsE0EcEFsEvEEcEFsEvmsDWWqVDx金屬金屬 /n型型半導(dǎo)體接觸前后電子反阻擋層形成半導(dǎo)體接觸前后電子反阻擋層形成能帶圖能帶圖的變化：的變化：在半導(dǎo)體表面，能帶向下彎曲，相當(dāng)有個電子的在半導(dǎo)體表面，能帶向下彎曲，相當(dāng)有個電子的勢阱勢阱, 多子電子的濃度比體內(nèi)大得多，是一個高通多子電子的濃度比體內(nèi)大得多，是一個高通區(qū)，即電子的區(qū)，即電子的反阻擋層高導(dǎo)通區(qū)反阻擋層高導(dǎo)通區(qū)。（。（很薄很薄?。。?（2 2）金屬與）金屬與P型型半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體接觸金屬與金屬與P P型半導(dǎo)體接觸時，若型半導(dǎo)體接觸時，若WmWs，空穴將從

14、金屬流，空穴將從金屬流向半導(dǎo)體表面，在半導(dǎo)體表面形成正的空間電荷區(qū)，電向半導(dǎo)體表面，在半導(dǎo)體表面形成正的空間電荷區(qū)，電場方向由體內(nèi)指向表面，場方向由體內(nèi)指向表面，VsWs，空間電荷，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度比體內(nèi)小得多，主要由電離施主形成，電子濃度比體內(nèi)小得多，是一個高阻區(qū)域，稱為是一個高阻區(qū)域，稱為電子阻擋層電子阻擋層。0JJJsmms凈電流在沒有加電壓的情況下，金半接觸的系統(tǒng)處于平在沒有加電壓的情況下，金半接觸的系統(tǒng)處于平衡態(tài)的阻擋層是衡態(tài)的阻擋層是沒有沒有凈電流：凈電流：從金屬流向半導(dǎo)體的電流和半導(dǎo)體流向金屬的電從金屬流向半導(dǎo)體的電流和半導(dǎo)體流向金屬的電流相抵消。流相抵消。所

15、以，所以，在沒有外加電壓時，半導(dǎo)體進(jìn)入金屬的電在沒有外加電壓時，半導(dǎo)體進(jìn)入金屬的電子流和從金屬進(jìn)入半導(dǎo)體的電子流相等，方向相子流和從金屬進(jìn)入半導(dǎo)體的電子流相等，方向相反，構(gòu)成反，構(gòu)成動態(tài)平衡動態(tài)平衡。.在緊密接觸的金半之間在緊密接觸的金半之間加上電壓加上電壓時，電流的行為時，電流的行為會發(fā)生不同的響應(yīng)。勢壘高度為：會發(fā)生不同的響應(yīng)。勢壘高度為：由于阻擋層是個高電阻區(qū)域，外加電壓主要降落由于阻擋層是個高電阻區(qū)域，外加電壓主要降落在阻擋層上。同時，外加電壓后，半導(dǎo)體和金屬在阻擋層上。同時，外加電壓后，半導(dǎo)體和金屬不再處于相互平衡的狀態(tài)，兩者沒有統(tǒng)一的費米不再處于相互平衡的狀態(tài)，兩者沒有統(tǒng)一的費米能

16、級，兩者的費米能級差就等于外加電壓所引入能級，兩者的費米能級差就等于外加電壓所引入的的靜電勢能差靜電勢能差。0()sqVV其中：其中： 是半導(dǎo)體的表面勢，即半導(dǎo)體表面和是半導(dǎo)體的表面勢，即半導(dǎo)體表面和內(nèi)部的電勢差，內(nèi)部的電勢差，V是所加的外場電壓。是所加的外場電壓。0()sV.加上加上正向正向電壓在電壓在n型阻擋層型阻擋層(金屬一邊為正金屬一邊為正)時：時：nqnsqqVD/=qVD-VqVqVE EF Fxd對于對于n n型型阻擋層，即金屬阻擋層，即金屬和和n n型半導(dǎo)體在型半導(dǎo)體在WmWs時，表面勢為時，表面勢為負(fù)負(fù)的值，的值，當(dāng)在金屬上加正向電壓當(dāng)在金屬上加正向電壓即即V大于大于0 0，

17、使得電子的，使得電子的勢壘高度減低，多子電勢壘高度減低，多子電子從子從半導(dǎo)體半導(dǎo)體流向流向金屬金屬的的數(shù)目變多。數(shù)目變多。smJmsJ電流為：電流為：.進(jìn)一步增加正向電壓：進(jìn)一步增加正向電壓： VqVD1=qVD-VqVnsqxdnqEFmssmJJ正向電流變大勢壘高度進(jìn)勢壘高度進(jìn)一步減低，一步減低，勢壘寬度減勢壘寬度減薄，薄，多子導(dǎo)多子導(dǎo)電電變強(qiáng)。變強(qiáng)。.對于對于n型阻擋層型阻擋層，即金屬和，即金屬和n n型半導(dǎo)體在型半導(dǎo)體在Wm Ws時，表面勢為時，表面勢為負(fù)負(fù)的值，當(dāng)在金的值，當(dāng)在金屬上加正向電壓即屬上加正向電壓即V V大于大于0 0，使得電子的勢，使得電子的勢壘高度減低，多子電子從半導(dǎo)

18、體流向金屬壘高度減低，多子電子從半導(dǎo)體流向金屬的數(shù)目變多，并隨電壓增加而變得越大，的數(shù)目變多，并隨電壓增加而變得越大，即即從金屬流向半導(dǎo)體的從金屬流向半導(dǎo)體的正向電流正向電流變大。變大。結(jié)論：結(jié)論：.加上加上反向電壓反向電壓（金屬一邊為（金屬一邊為負(fù)負(fù)）時：）時：qVD1=qVD-Vq（-V）xdEFnsqE0EcEv當(dāng)加反向電壓即當(dāng)加反向電壓即V 0時，時，半導(dǎo)體一邊的電子的勢壘半導(dǎo)體一邊的電子的勢壘高度增高了，所以半導(dǎo)體高度增高了，所以半導(dǎo)體到金屬的電子數(shù)目減少，到金屬的電子數(shù)目減少，相反金屬到半導(dǎo)體的電子相反金屬到半導(dǎo)體的電子流占優(yōu)勢，形成由半導(dǎo)體流占優(yōu)勢，形成由半導(dǎo)體到金屬的到金屬的反

19、向電流反向電流。在此過程中，金屬邊的勢在此過程中，金屬邊的勢壘壘 不隨外加電壓變化不隨外加電壓變化（阻擋層在半導(dǎo)體內(nèi)阻擋層在半導(dǎo)體內(nèi)）nsq.msJsmJ電流為：電流為：如進(jìn)一步增加反向電壓：如進(jìn)一步增加反向電壓：EFnsqqVD1=qVD-Vq（-V）xdV勢壘高度進(jìn)勢壘高度進(jìn)一步增高，一步增高，多子電子導(dǎo)多子電子導(dǎo)電變?nèi)?。電變?nèi)?。smmsJJ反向電流變大.正向電流都是正向電流都是多子空穴多子空穴從半導(dǎo)體流向金屬從半導(dǎo)體流向金屬但和正向電流行為不一樣的是：但和正向電流行為不一樣的是：金屬一邊的電子所要越過的勢壘，金屬一邊的電子所要越過的勢壘，不隨外加電壓不隨外加電壓而變化而變化。所以，金屬到

20、半導(dǎo)體的電子流是恒定的。所以，金屬到半導(dǎo)體的電子流是恒定的。當(dāng)反向電壓提高時，半導(dǎo)體到金屬的電子流可以當(dāng)反向電壓提高時，半導(dǎo)體到金屬的電子流可以忽略不計，忽略不計，反向電流達(dá)到飽和值反向電流達(dá)到飽和值。對對p型阻擋層：能帶向下彎，表面勢型阻擋層：能帶向下彎，表面勢(Vs)0大于零大于零V0時，能帶下彎得更厲害，時，能帶下彎得更厲害，多子空穴多子空穴從半導(dǎo)體從半導(dǎo)體流向金屬，形成正向電流；流向金屬，形成正向電流； 金屬加正電壓金屬加正電壓V0時，能帶下彎曲變得小了，形成金屬到半導(dǎo)體的時，能帶下彎曲變得小了，形成金屬到半導(dǎo)體的反向電流。反向電流。正向和反向的電流特點就是阻擋層的正向和反向的電流特點

21、就是阻擋層的整流作用整流作用. 勢壘區(qū)勢壘區(qū)中存在電場，有電勢的變化，導(dǎo)致載流子中存在電場，有電勢的變化，導(dǎo)致載流子濃度的不均勻。計算通過勢壘的電流時，因為采濃度的不均勻。計算通過勢壘的電流時，因為采用厚阻擋層的擴(kuò)散理論，故必須同時考慮用厚阻擋層的擴(kuò)散理論，故必須同時考慮漂移漂移和和擴(kuò)散擴(kuò)散運動。所以，勢壘區(qū)的運動。所以，勢壘區(qū)的電勢分布電勢分布情況是求解情況是求解V-I關(guān)系的關(guān)系的關(guān)鍵關(guān)鍵。2 2、整流理論整流理論定量定量V-IV-I特性的表達(dá)式特性的表達(dá)式對于對于n n型阻擋層型阻擋層，當(dāng)勢壘寬度比電子的平均自由程，當(dāng)勢壘寬度比電子的平均自由程大得多，即大得多，即Xd ln時，電子通過勢壘

22、區(qū)將發(fā)生多時，電子通過勢壘區(qū)將發(fā)生多次碰撞次碰撞厚阻擋層厚阻擋層。擴(kuò)散理論適用于厚阻擋層。擴(kuò)散理論適用于厚阻擋層。.簡化模型簡化模型：勢壘高度：勢壘高度qVDk0T時，時，勢壘區(qū)勢壘區(qū)內(nèi)內(nèi)的載流子濃度的載流子濃度0 耗盡區(qū)耗盡區(qū)EFnsq0XdXV0sDqVqVnnEq metalsemiconductorSpace charge regionN型半導(dǎo)體的耗盡層型半導(dǎo)體的耗盡層雜質(zhì)全部電離，空間雜質(zhì)全部電離，空間電荷完全由電離雜質(zhì)電荷完全由電離雜質(zhì)的電荷形成。的電荷形成。Xd是耗盡層的寬度，是耗盡層的寬度，ND是施主摻雜濃度是施主摻雜濃度, 均勻摻雜使得耗盡均勻摻雜使得耗盡層的電荷也是均勻?qū)拥?/p>

23、電荷也是均勻的。的。. 1xx0 xx0qNddD 求求電勢電勢在半導(dǎo)體中的分布：在半導(dǎo)體中的分布： 2022rdxVd代入泊松方程 30qN0D22rdxVd即. 4030nsxxdVdxdVxEd利用邊界條件 dxdVE式及由41 0205162DdrDdnsrqNdVE xxxdxqNVxxx 積分得到半導(dǎo)體內(nèi)部半導(dǎo)體內(nèi)部電場為零電場為零以金屬費米以金屬費米能級除能級除-q為為勢能零點勢能零點.當(dāng)加上當(dāng)加上外加電壓外加電壓V在金屬上在金屬上: :0VEFnsqnqDqV ()()7dnV xV 8nsnDVdnsDV xVV2012DDdrqNVVx 由（由（6）式可得：）式可得：dxx

24、在時 0205162DdrDdnsrqNdVE xxxdxqNVxxx 積分得到. D00qN2VVxsrd所以 9qN2D0VVDr化隨外加電壓的變化而變由此可見dx0sDVV又當(dāng)表面勢外加電壓當(dāng)表面勢外加電壓V V和表面勢同號都為負(fù)值時，和表面勢同號都為負(fù)值時，勢壘高度提高、寬度變大。這種依賴于外加電勢壘高度提高、寬度變大。這種依賴于外加電壓的勢壘稱壓的勢壘稱Schottky勢壘勢壘。 9qN2D0VVDrxd. dxdVE式及由41 621qN5qN220D0DnsdrdrxxxxVxxdxdVxE積分得到 dxxdnDxExnqJnn因此 求通過勢壘的求通過勢壘的電流密度：電流密度：漂

25、移電流漂移電流擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流.愛因斯坦愛因斯坦關(guān)系關(guān)系0nnqDk T代入上式可得：代入上式可得： 100dxxdndxxdVTkxqnqDnJ已到半導(dǎo)體體內(nèi)已到半導(dǎo)體體內(nèi)在半導(dǎo)體表面在半導(dǎo)體表面 1312en0n0VeNnxnx2qNxVeTkVq0nsTkqc0dns2d0rDdTkXqV00s0n0和，并利用邊界條件在等式兩邊同乘因子.000( )( )( )( )exp ( )expexpnqV xdqV xqV xdn xJqD n xk Tdxk Tk Tdx得到如下式：得到如下式：0( )( )expndqV xqDn xdxk T在穩(wěn)定的情況下，在穩(wěn)定的情況下，J是個和是個和

26、x無關(guān)的常數(shù)無關(guān)的常數(shù)0000( )( )exp( )expxdxdnqV xqV xJdxqDn xk Tk T利用上頁的邊界條件可得：利用上頁的邊界條件可得：.000000() ( )expexpexp() 1(11)dxnssnqVqV xqVJdxqD nk Tk Tk T式用耗盡層近似求積分用耗盡層近似求積分J201( )()2DdnsrqNV xxxx 注意：注意：在勢壘高度大于在勢壘高度大于kT時，被積函數(shù)時，被積函數(shù)隨隨x增大而急劇增大而急劇減小減??！積分主要決定于積分主要決定于x=0附近的電勢值，附近的電勢值，去掉去掉x2 項項 nsd0rDxxqNxV0 x 附近取在代入上

27、述積分中可得：代入上述積分中可得：.002000( )expexp()(12)dxrnsDdk TqqV xdxk Tq N xk T 00()sq VVk T并由于，所以可近似得到：把上式和把上式和xd的表達(dá)式代入（式的表達(dá)式代入（式11），可得到），可得到電流密度為：電流密度為： 1310TkqVeJJSD得到142qN00DTkDqVeVVJDrSD其中.其中，其中，00nqn02DDrJEqNVV 具有電場強(qiáng)度的量綱 電流密度變化的電流密度變化的討論：討論： 1310TkqVeJJSD得到其大小主要決定于其大小主要決定于指數(shù)因子指數(shù)因子. 時01VTkqV0如果TkqVeJJSD0Tk

28、qV0如果 時02VSDJJ金半接觸伏安特性金半接觸伏安特性氧化亞銅氧化亞銅，遷移率較小，即平均自由程較短，擴(kuò)散理，遷移率較小，即平均自由程較短，擴(kuò)散理論是適用的。論是適用的。但但JSD隨電壓而緩慢變化，但并不趨于定值，即沒有飽和隨電壓而緩慢變化，但并不趨于定值，即沒有飽和電流密度電流密度指數(shù)增加指數(shù)增加.（2 2）熱電子發(fā)射理論）熱電子發(fā)射理論起決定作用的是勢壘的高度，而不是形狀。當(dāng)電起決定作用的是勢壘的高度，而不是形狀。當(dāng)電子動能子動能勢壘頂部時，電子可以自由越過勢壘進(jìn)入勢壘頂部時，電子可以自由越過勢壘進(jìn)入另一邊另一邊 。電流的計算即。電流的計算即求越過勢壘的載流子數(shù)目。求越過勢壘的載流子

29、數(shù)目。 以以非簡并半導(dǎo)體的非簡并半導(dǎo)體的n n型阻擋層為例，型阻擋層為例，qVqVD Dk k0 0T T，通過勢壘交換的電子很少，體內(nèi)的電子，通過勢壘交換的電子很少，體內(nèi)的電子濃度視為濃度視為常數(shù)常數(shù)，與電流無關(guān)。，與電流無關(guān)。當(dāng)當(dāng)n n型阻擋層型阻擋層很薄很薄時，即電子的平均自由程大于時，即電子的平均自由程大于勢壘寬度。擴(kuò)散理論不再適合了。勢壘寬度。擴(kuò)散理論不再適合了。電子通過勢電子通過勢壘區(qū)的碰撞可以忽略。壘區(qū)的碰撞可以忽略。.規(guī)定電流的規(guī)定電流的正方向正方向是從金屬到半導(dǎo)體是從金屬到半導(dǎo)體 sFqExms1dnqvJx方向輸運假設(shè)電子沿電子流密度方向和電流方向相反電子流密度方向和電流方

30、向相反 Jsm時（正向電流）時（正向電流）EFnsqsqDqVVx能量范圍內(nèi)的電子數(shù)在dEEE dEEfEgdn電子的電子的狀態(tài)密度狀態(tài)密度和和分布函數(shù)分布函數(shù). 2240021323*dEeEEehmTkEEcTkEEncFc考慮非簡并半導(dǎo)體的情況考慮非簡并半導(dǎo)體的情況,分布函數(shù)為分布函數(shù)為Boltzmann分布：分布：dEeEEhmTkEEcnF021323*24dn所以：所以： 3212*vmEEnc利用 4*vdvmdEn.TkEEcFceNn00又TkEEnFcehTkm03230*22dveTkmndnTkvmnn02*2230*02則 520222*2230*0zyxTkvvvm

31、ndvdvdveTkmnzyxn.單位截面秒 11xvdndN 620222*2230*0zyxxTkvvvmndvdvdvveTkmnzyxnxV的正方向選取垂直于界面，由半導(dǎo)體指向金屬所以，在單位時間內(nèi)，通過單位截面積，在VxVx+dVx范圍的電子可以到達(dá)金半界面。VVqvm21D2x*n到達(dá)界面的電子的動能. 7002*TkqVTkqeeTAns*2minnDxmVVqv即電子的最小速度00222*20*02xzyxnvxTkvvvmxyyndvevdvdvTkmqnsFqExmsdnqvJ于是電子流密度電子流密度2034nqm kAh其中，有效理查遜常數(shù). 800smmsJJV時 90

32、2*TkqnseTA0VJJmssm從而 Jms時（反向電流）時（反向電流）nsmsmsJJ電子從金屬到半導(dǎo)體所面臨的勢壘高度是不隨外加電壓而變化的，所以從金屬到半導(dǎo)體的電子流所形成的電流密度是個常量。它與熱平衡條件下，V0時的大小相等，方向相反。.smmsJJJ 1102*TkqSTnseTAJ其中1010TkqVSTeJnsns是是金屬一邊的電子勢壘金屬一邊的電子勢壘 總的電流密度總的電流密度J. 討論：討論：擴(kuò)散理論：擴(kuò)散理論：0exp() 1,SDSDqVJJJVk T熱電子發(fā)射理論：熱電子發(fā)射理論：0exp() 1,STSTqVJJJk T和外加電壓無關(guān)Ge、Si、GaAs都有較高的

33、載流子遷移率，即較都有較高的載流子遷移率，即較大的平均自由程，在室溫時，其肖特基勢壘中的大的平均自由程，在室溫時，其肖特基勢壘中的電流輸運機(jī)構(gòu)，主要是多數(shù)載流子的電流輸運機(jī)構(gòu)，主要是多數(shù)載流子的熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射.定義：定義：金金/半接觸的半接觸的非整流接觸，非整流接觸，即不產(chǎn)生明顯的附即不產(chǎn)生明顯的附加電阻，不會使半導(dǎo)體體內(nèi)的平衡載流子濃度發(fā)生明加電阻，不會使半導(dǎo)體體內(nèi)的平衡載流子濃度發(fā)生明顯的改變。顯的改變。應(yīng)用：應(yīng)用：半導(dǎo)體器件中利用電極進(jìn)行電流的輸入和輸出半導(dǎo)體器件中利用電極進(jìn)行電流的輸入和輸出就要求金屬和半導(dǎo)體接觸形成良好的歐姆接觸。在超就要求金屬和半導(dǎo)體接觸形成良好的歐姆接觸。在

34、超高頻和大功率的器件中，歐姆接觸時設(shè)計和制造的關(guān)高頻和大功率的器件中，歐姆接觸時設(shè)計和制造的關(guān)鍵。鍵。實現(xiàn)：實現(xiàn)：不考慮表面態(tài)的影響，金半接觸形成不考慮表面態(tài)的影響，金半接觸形成反阻擋層反阻擋層，就可以實現(xiàn)歐姆接觸。實際中，由于有很高的表面態(tài)，就可以實現(xiàn)歐姆接觸。實際中，由于有很高的表面態(tài)，主要用主要用隧道效應(yīng)實現(xiàn)隧道效應(yīng)實現(xiàn)半導(dǎo)體制造的歐姆接觸。半導(dǎo)體制造的歐姆接觸。7.37.3歐姆接觸歐姆接觸.半導(dǎo)體半導(dǎo)體重?fù)诫s重?fù)诫s導(dǎo)致明顯的導(dǎo)致明顯的隧穿電流隧穿電流，而實現(xiàn)，而實現(xiàn)歐姆接觸：歐姆接觸：半導(dǎo)體摻雜濃度很高時，金半接觸的勢壘區(qū)的寬度變半導(dǎo)體摻雜濃度很高時，金半接觸的勢壘區(qū)的寬度變得得很薄很

35、薄，電子會通過隧道效應(yīng)穿過勢壘產(chǎn)生相當(dāng)大的，電子會通過隧道效應(yīng)穿過勢壘產(chǎn)生相當(dāng)大的隧穿電流，甚至?xí)^隧穿電流，甚至?xí)^熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射電流成為電流的主電流成為電流的主要部分。當(dāng)隧穿電流占主要成份時，接觸電阻會很小，要部分。當(dāng)隧穿電流占主要成份時，接觸電阻會很小，可以用作歐姆接觸?？梢杂米鳉W姆接觸。常用的方法常用的方法：在：在n型或型或p型半導(dǎo)體上制作一層重?fù)诫s型半導(dǎo)體上制作一層重?fù)诫s區(qū)再與金屬接觸，形成金屬區(qū)再與金屬接觸，形成金屬n+n 或金屬或金屬p+p 結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。使得金屬的選擇很多。電子束和熱使得金屬的選擇很多。電子束和熱蒸發(fā)蒸發(fā)、濺射濺射、電鍍電鍍。D0qN2DrVXc.1、功

36、函數(shù)：功函數(shù)的定義是、功函數(shù)：功函數(shù)的定義是E0與與EF能量之差，能量之差，用用W表示。即表示。即FEEW0半導(dǎo)體的功函數(shù)可以寫成半導(dǎo)體的功函數(shù)可以寫成nsFcsEEEW)(本本 章章 小小 結(jié)結(jié).2、接觸電勢差：、接觸電勢差：金屬半導(dǎo)體接觸，由于金屬半導(dǎo)體接觸，由于Wm和和Ws不同，會產(chǎn)生接不同，會產(chǎn)生接觸電勢差觸電勢差Vms。同時半導(dǎo)體能帶發(fā)生彎曲，使其表。同時半導(dǎo)體能帶發(fā)生彎曲，使其表面和內(nèi)部存在電勢差面和內(nèi)部存在電勢差V，即表面勢，即表面勢V，因而：，因而：smsmsVVqWW緊密接觸時：緊密接觸時： smsVqWW.典型金屬半導(dǎo)體接觸有兩類：一類是整流接觸，典型金屬半導(dǎo)體接觸有兩類：

37、一類是整流接觸，形成阻擋層，即形成阻擋層，即肖特基接觸肖特基接觸；一類是非整流接；一類是非整流接觸，形成反阻擋層，即觸，形成反阻擋層，即歐姆接觸歐姆接觸。 形成形成n型和型和p型阻擋層的條件型阻擋層的條件 .3、金屬半導(dǎo)體接觸、金屬半導(dǎo)體接觸整流特性整流特性： 在金屬半導(dǎo)體接觸中，金屬一側(cè)勢壘高度不隨外在金屬半導(dǎo)體接觸中，金屬一側(cè)勢壘高度不隨外加電壓而變，半導(dǎo)體一側(cè)勢壘高度與外加電壓相加電壓而變，半導(dǎo)體一側(cè)勢壘高度與外加電壓相關(guān)。因此，當(dāng)外加電壓使半導(dǎo)體一側(cè)勢壘高度降關(guān)。因此，當(dāng)外加電壓使半導(dǎo)體一側(cè)勢壘高度降低時，形成從半導(dǎo)體流向金屬的凈離子流密度，低時，形成從半導(dǎo)體流向金屬的凈離子流密度，且隨外加電壓而變化；且隨外加電壓而變化；反之，則是從金屬到半導(dǎo)體的離子流密度，該電反之，則是從金屬到半導(dǎo)體的離子流密度，該電流較小。且與外加電壓幾乎無關(guān)。這就是金屬半流較小。且與外加電壓幾乎無關(guān)。這就是金屬半導(dǎo)體接觸整流特性。導(dǎo)體接觸整流特性。 .擴(kuò)散理論、熱電子發(fā)射理論計算肖特基接觸的擴(kuò)散理論、熱電子發(fā)射理論計算肖特基接觸的電流電流-電壓特性，前者適用于勢壘區(qū)寬度比電子電壓特性，前者適