刘诺-半导体物理-第七章

半导体物理编写：刘诺独立制作：刘诺电子科技大学微电子与固体电子学院微电子科学与工程系第六篇金属和半导体的接触1、阻挡层与反阻挡层的形成2、肖特基势垒的定量特性3、欧姆接触的特性§6.1金属-半导体接触和能带图1、功函数Wm、Ws与电子亲和势EcEvWmWsEFmEFsE0En30cEE电子亲和势真空电子能级0E10FmmEEW金属功函数20FssEEW半导体功函数2、接触电势差smWWn型半导体相接触且假设金属和nEsWmWvEcEFmEFsE0E接触前：接触后：qVDEFEFEvEcmqxDWsWmEFmE0EcEFsEv接触势垒Wm-Ws=-q（Vms+Vs）≌-qVmsqWWVsmms接触电势差故导带底电子向金属运动时必须越过的势垒的高度：qVD=Wm-Ws（1）金属一边的电子运动到半导体一边也需要越过的势垒高度：2mmWqqVDmqEcEFEv（a）WmWs电子阻挡层:mWsWFmEFsEvEcE0E（1）金属-n型半导体接触3、阻挡层与反阻挡层金属一边的势垒半导体一边的势垒mqDqVvEDxcEFEsmDmmWWqVWq（b）WmWs电子反阻挡层:WsWmEvEcE0EFmEFscEFEvEmsDWWqVDx（1）WsWm空穴阻挡层:EFmEFsWsWmEvEcE0（2）金属-p型半导体接触接触后：qVD=Ws-WmxDEFEvEcmsDWWqV半导体一边的势垒（2）WmWs空穴反穴阻挡层:WsWmEFsEFmEvEcE0接触后：xDEcEFEv3、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。表面能级：与表面态相应的能级称为表面能级。WmEFmE0WsEcEF0Wl表面能级EFS0EvA、接触前，半导体体内与表面电子态交换电子后能带弯曲量qVD=EF0-EFs0与金属的性能无关半导体的功函数则变为：EFmWlqVDEnl0Fs0FsnD1sWEEWEqVWqVDEFsWmWlE0EvnEEFEcB、金属与半导体接触后巴丁模型与金属的性能无关0FscnDmE0EEqVqmqqVDEc（0）EcEvnE实际中，EFs0常位于Ev以上1/3Eg处，所以ggvcmE32E310E0EqqVD=-q(Vs)0nsq0JJJsmms净电流xd§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加上正向电压(金属一边为正)时：qVD1=q[VD-V]qVnsqsmmsJJxdnqsmmsJJJ正向电流VnsqqVD1=q[VD-V]nqqVEFEFVxd加上反向电压（金属一边为负）时：qVD1=q[VD-V]nsqq（-V）mssmJJxdVmssmJJJ反向电流饱和smJEFEFnsqqVD1=q[VD-V]q（-V）xd/V/（1）扩散理论xd》ln时，电子通过势垒区将发生多次碰撞。势垒高度qVD》k0T时，势垒区内的载流子浓度～0耗尽区1xx0xx0qNddD2、整流理论4030nsxxdVdxdVxEd利用边界条件nsdxdVE式及由416x21xxqNV5xxqNdxdVxEns2dd0rDd0rD积分得到2022rdxVd代入泊松方程30qN0D22rdxVd即（加上外加电压在金属上）这种势垒宽度随外加电压的变化而变化的势垒就是Schottky势垒。87DnnsnsdVVxV因为DndrnVxV2qN620D式由D00qN2VVxsrd所以9qN2D0VVDr化随外加电压的变化而变由此可见dx0sDVV又dxdVE式及由41621qN5qN220D0DnsdrdrxxxxVxxdxdVxE积分得到dxxdnDxExnqJnn因此100dxxdndxxdVTkxqnqDnnsd0rDxxqNxV0x附近取在1310TkqVeJJSD得到142qN00DTkDqVeVVJDrSD其中1312en0n0VeNnxnx2qNxVeTkVq0nsTkqc0dns2d0rDdTkXqV00s0n0和，并利用边界条件在等式两边同乘因子积分讨论：TkqV0如果时01VTkqV0如果TkqVeJJSD0时02VSDJJ（2）热电子发射理论xd《ln时，电子通过势垒区的碰撞可以忽略。当电子动能势垒顶部时，电子可以自由越过势垒进入另一边热电子发射假设qVD》k0T能量范围内的电子数在dEEEdEEfEgdn2240021323*dEeEEehmTkEEcTkEEncFcdEeEEhmTkEEcnF021323*24(a)Jsm时：sFqExms1dnqvJx方向输运假设电子沿TkEEcFceNn00又TkEEnFcehTkm03230*22dveTkmndnTkvmnn02*2230*02则520222*2230*0zyxTkvvvmndvdvdveTkmnzyxn3212*vmEEnc利用4*vdvmdEn界面在单位时间内均能到达的电子中速度为单位体积秒的体积秒所以单位截面内长为dNvvvxx111单位截面秒11xvdndN620222*2230*0zyxxTkvvvmndvdvdvveTkmnzyxnsFqExmsdnqvJ于是00222*20*02xzyxnvxTkvvvmxyyndvevdvdvTkmqn7002*TkqVTkqeeTAnsVVqvm21D2x*n到达界面的电子的动能*2minnDxmVVqv即电子的最小速度（b）Jms800smmsJJV时是恒定的所以是恒定的金属一边的势垒smnsJq.902*TkqnseTA0VJJmssm从而（c）总电流密度JsmmsJJJ1102*TkqSTnseTAJ其中1010TkqVSTeJ例2：由Au和n-Si（ND=5×1016cm-3）组成的Schottky二极管。（1）由求的大小；（2）从热电子发射理论求T=300K时，V=3V时的和。已知：nDnsEqVqnsqmsJsmJeVSicmNeVAuWAAKcmAAcm05.4108.28.41.2//120319222nDnsEqVqssmmW05.48.4eV75.0（2）2/69.0cmAmsJTkqVTkqeeTAns002*smJTkqnseTA02*26/107.6cmA势垒受到镜象力的影响：*cEcEq*nsqnsqmx（1）镜象力——感应电荷对电子产生库仑吸引力124220xqfxxqfdx21602产生的电子附加势能为3、镜像力和隧道效应的影响取势能零点在EFm处，考虑附加势能后，电子的有效势能为：xqVxqxVqr0162*421qN1620D20nsdrxxxqxqr对于金-半接触势垒中的电子，附加势能为：3x16qr02当电子所受到的电场力=镜像力时，有Vmax=V（xm）54121dDmxNxdmrDnsmxxNqqxVq02相应地式代入将45qxm处的电势降落则在dmrDxxNq02mnsxVqq6241430327VVNqDrD增大降落值高时将导致势垒最高点可见反向偏压和掺杂较q偏离理想增大时理想减小时VVqVqV00反向Jqqnsq*cEcEmx*nsq*DqVnsnsqq*DDVqqV*（2）隧道电流的影响:（a）隧道效应cEFE超薄势垒失去阻挡载流子的功能决定隧道穿透几率的两个因素：（1）势垒高度（2）隧道厚度cnsxqVq*度为金属一边的有效势垒高cdrDnsxxNqq02723032VVNqxqDrDcns偏离理想增大时理想减小时VVqVqV00（1）势垒高度隧道穿透的临界厚度为xc，当半导体一边的势垒厚度xxc时，势垒对电子完全透明隧道穿透（2）隧道厚度0VxxccD00qN2VVsrD0qN2VVDrD0qN2DrV层生隧道电流的特殊阻挡通过重掺杂可获得能产欧姆接触cxDN即（b）欧姆接触：I∽V（b1）金属-n型半导体欧姆接触重掺杂阻挡层反阻挡层隧道效应..ba（b2）金属-p型半导体欧姆接触反阻挡层4、少子的注入：vEcEFsEFmE1eepqv1epLDqJTkqVTkqVsdTkqV0ppp00D0少子扩散流半导体物理编写：刘诺独立制作：刘诺电子科技大学微电子与固体电子学院微电子科学与工程系