第七章金属和半导体的接触

这是一篇关于第七章金属和半导体的接触的思维导图，主要内容有金属半导体接触及其能带图、金属半导体接触整流理论、少数载流子的注入与欧姆接触、肖特基势垒二极管。

第七章 金属和半导体的接触

• 金属半导体接触及其能带图
  • 金属与半导体功函数W
    • Def of 功函数：真空中静止电子的能量 E0 与 金属的 EF 能量之差；用于表征物体束缚电子的能力。金属功函数Wm 越大, 金属对电子的束缚越强；且随原子序数的递增呈现周期性变化。
      • E0称之为真空能级，象征的是物体的表面能级 半导体的费米能级与掺杂浓度有关，故其功函数与杂质浓度也紧密相关！
    • 表达式
      • 金属：
      • 半导体：
  • 接触电势差
    • 现象：当金属与半导体接触，由于二者的功函数不同，会造成其中的电子向功函数大的一方迁移，使得半导体的能带发生弯曲。 （n型半导体Wm>Ws之例子）
    • 势垒高度
      • 金属：
      • 半导体：
    • 阻挡层与反阻挡层：
      • Wm>Ws: 电子从半导体流向金属， 表面能带上弯， 形成电子势垒， 形成n型阻挡层，p型反阻挡层 Wm<Ws: 电子从金属流向半导体， 表面能带下弯， 形成空穴势垒， 形成n型反阻挡层，p型阻挡层
  • 表面态对接触势垒的影响
    • 表面态：晶体的周期性结构在表面处突然终止，在表面层的每个原子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键，这个键称作悬挂键，与之对应的电子能态（在禁带中引入能级）就是表面态。
      • 施主表面态：qΦ0以下表面被电子占据时呈电中性，释放电子后呈正电性
      • 受主表面态：qΦ0以上表面空着时呈电中性，接受电子后带负电
    • 若n型半导体存在表面态，费米能级高于qΦ0 ，表面处出现正的空间电荷区，形成电子势垒。 势垒高度qVD恰好使表面态上的负电荷与势垒区的正电荷相等。
      • 存在表面态即使不与金属接触，表面也形成势垒。 若表面态密度很大，高表面态密度时发生钉扎（Pinned）
    • • 无表面态，半导体的功函数为：
      • 有表面态，半导体的功函数为：
    • 当半导体的表面态密度很高时，可以屏蔽金属接触的影响，使半导体内的势垒高度和金属的功函数几乎无关，由半导体表面性质决定。
• 金属半导体接触整流理论
  • 定性分析
    • 有外加电压时，表面势为(Vs)0＋V，加正向偏压时V > 0，反向则V<0 （正向偏压指的是金属侧电势为正）
    • 对于n型阻挡层的影响
      • V>0
      • V<0
      • 势垒高度的变化方向，主要取决于加偏压后载流子的移动方向，当有电子积累则势垒高度下降。
  • 定量分析
    • 扩散理论 （用于势垒高度>>电子平均自由程）
      • 对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。此阻挡层称为厚阻挡层；需同时考虑漂移和扩散
      • 结论：
    • 热电子发射理论： （用于势垒高度<<电子平均自由程）
      • 当n型阻挡层很薄，电子平均自由程远大于势垒宽度。起作用的是势垒高度而不是势垒宽度。
      • 结论：
        • JsT与外加电压无关，更依赖于温度 所以称热电子发射
  • 镜像力与隧道效应的影响
    • 研究缘由：实际金—半接触整流器的伏—安特性与理论结果相差甚远
      • 原因分析：
        • 镜像力的影响
          • 镜像电荷之概念：一个在金属外面的电子，要在金属表面感应出正电荷，同时电子要受到正电荷的吸引。若电子距金属表面的距离为x，则它与感应正电荷之间的吸引力，相当于该电子与位于(–x)处的等量正电荷之间的吸引力，这个正电荷称为镜象电荷。
          • 镜象力：
          • 影响结果：镜象力使势垒顶向内移动，并且引起势垒的降低 q ΔΦ。平衡时， q ΔΦ 很小，可忽略。镜象力所引起的势垒降低量随反向电压的增加而缓慢地增大。当反向电压较高时，势垒的降低变得明显，镜象力的影响显得重要。
          • 势垒极大值所对应的x值：
        • 隧道效应的影响
          • 隧道效应的概念：能量低于势垒顶的电子有一定概率穿过势垒，穿透的概率与电子能量和势垒厚度有关 对于一定能量的电子，存在一个临界势垒厚度xc。若 xd > xc, 则电子完全不能穿过势垒；若 xd < xc, 则势垒对于电子完全透明，即势垒降低了。反向电压较高时，势垒的降低才明显。
          • 隧道效应引起的势垒降低为
      • 镜像力和隧道效应对反向特性影响显著 1)引起势垒高度的降低，使反向电流增加。 2)反向电压越大，势垒降低越显著， 反向电流越大。
• 少数载流子的注入与欧姆接触
  • 少数载流子的注入
    • 加正向偏压时，势垒降低，少子扩散作用占优势，形成自外向内的少子流，方向与多子流相同，因此，部分正向电流是由少子载荷的。
    • 大小
      • 首先决定于阻挡层中少子浓度，势垒足够高，靠近接触面的空穴浓度就高，有外加电压，少子电流的贡献就增大
      • 还决定于空穴进入半导体内扩散的效率，扩散效率越高，少子对电流的贡献就越大
    • 加正压时，少子电流与总电流之比称少子的注入比γ，γ=Jp/J=Jp/（Jn+Jp）
  • 欧姆接触
    • Def：金属－半导体接触不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变；接触电阻比半导体样品或器件小很多，并无电压降产生，不影响I-V特性。
    • 实现方法：把半导体一侧重掺杂形成金属—n+n或金属—p+p结构，利用隧道效应的原理在半导体上制造欧姆接触。
    • 主要应用反阻挡层
• 肖特基势垒二极管
  • Def：利用金属－半导体整流接触特性制成的二极管
  • 与pn结二极管的比较
    • 同——单向导电性
    • 异
      • pn结正向电流为非平衡少子扩散形成的电流，有显著的电荷存储效应；肖特基势垒二极管的正向电流主要是半导体多数载流子进入金属形成的，是多子器件，无积累，因此高频特性更好；
      • 肖特基势垒二极管的势垒区只存在于半导体一侧
      • 肖特基二极管正向导通电压较低，一般为0.3V左右 ，pn结一般为0.7V。
  • 应用：钳位二极管(提高电路速度)等