固体微电子学与半导体物理学(七) |
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学习金半接触,就相当于正式开启了半导体器件的学习。之前的很多分析方法在本章仍然适用。 八、金半接触 8.1 金半接触能带 8.2 金半接触的整流输运理论 8.2.1 扩散理论 8.2.2 热电发射理论*(会推导) 8.2.3 镜像力 8.2.4 隧道效应 8.3 欧姆接触 Ws:半导体功函数:费米能级到真空能级的能量差 χ:电子亲和能:导带顶到真空能级所需要能量 Wm:金属功函数 Vm:金属电势 Vs' :半导体电势 Vs:表面势,半导体表面和体内电势差 Vms:接触电势差 En:导带底距离半导体费米能级距离 E0:真空能级,真空中静止电子的能量 Efm:金属费米能级 Efs:半导体费米能级 qφns:金属一侧的势垒高度(肖特基势垒) qφ0:半导体表面能级,钉扎在1/3倍的Eg的地方,是一个能态海洋,表面费米能级稳定在此。 (在此时,qφns=2/3倍的Eg,qVD也高表面态密度被钉扎) 八、金半接触 8.1 金半接触能带a. 接触前能带 b. qVm=Ws-Wm(Vms<0)由于电子从半导体内转向金属一侧,所以半导体体内的电势高。金属 内的电势较低。由于间隔距离很长电势降落在很长的距离内。均匀dv里矢量连续,能带不弯曲。 c. qVm+qVs=Ws-Wm 当距离当距离很小时,电位移矢量连续,电势降落在很窄的区域电场强度很 大,因此能带弯曲。 d. 导体之间的电压全部降落在半导体内。因此产生了空间电荷区。 金属:电子海(失去电子,但海平面即费米能级不会发生很大变化) 半导体:电子气(量很少,易改变) 肖特基接触的势垒电容形式仍然与平行板电容类似: 在此附上手稿能带图 平均自由程:相邻两次碰撞之间的平均距离,即称为载流子的平均自由程 扩散理论适用于:扩散长度>>平均自由程,和迁移率小的半导体 也就是说,载流子在势垒区输运时频繁碰撞 在此情况下,势垒宽度Xd是电压的函数。不仅势垒高度提高,而且宽度也相应增大,势垒宽度也称为势垒厚度。这种厚度依赖于外加电压的势垒称做肖特基势垒。 JSD: J= 在正偏压下:忽略-1 在负偏压下,e指数很小可忽略,只剩-1。因此J=-JSD 而 JSD随电压变化,并不饱和。 因此金半接触的伏安特性曲线如下: 适用于平均自由程>>势垒宽度 即在势垒区没有发生散射,电子在渡越过程中无碰撞 Ⅰ、半导体到金属的电流 我们可以得到: 1. 半导体到金属的电子流 依赖于电压2. 热电子向真空发射的理查逊常数A Ⅱ、金属到半导体 电子从金属到半导体所面临的势垒高度不随外加电压变化。所以,从金属到半导体的电子流所形成 的电流密度Jm-s是个常量,它应与热平衡条件下,即V=0时的Js-m大小相等方向相反 综上可得: T:Theraml ——由热电子发射理论得到的伏-安特性式与扩散理论所得到的结果式形式上是一样的,所不同的是Jst与外加电压无关,但却是一个更强烈地依赖于温度的函数 ——Ge、Si、GaAs都有较高的载流子迁移率,即有较大的平均自由程,因而在室温下,这些半导体材料的肖特基势垒中的电流输运机构,主要是多数载流子的热电子发射。 8.2.3 镜像力镜像力是由于金属内正负电荷的感应作用,影响了半导体内的电势分布,对金属一侧的肖特基势垒产生影响(削减了势垒高度) ——上式表明,镜像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,镜像力的影响才显得重要。 8.2.4 隧道效应临界厚度Xc:厚度大于Xc,电子不可隧穿势垒,厚度小于Xc,电子可以穿透势垒,引起势垒降低 势垒降低量: 它也随反向电压增加而增大。当反向电压较高时,势垒的降低才较明显。因此隧道效应对伏-安特性的影响和镜像力的影响基本相同。 镜像力和隧道效应对反向特性的影响特别显著,它们引起势垒高度的降低,使反向电流增加,而且随反向电压的提高,势垒降低更显著,反向电流也增加得更多。这样,理论结论与实际的反向特性就基本一致。 —— 在金属-重掺杂半导体接触,一般ND = 10^19 /cm³ 宽度d ~ 100 Å —— 电子会通过隧道效应通过势垒区 —— 在零偏压下,电流为零。也就是说此时金属半导体相互流过的电流相同,而从金属到半导体的电流为常数,因此用这个条件可以求Jms —— 欧姆接触也叫做反阻挡层 求得总电流和电压关系: 1. 接触电阻值很小 2. I-V关系是线性的,正反对称 这是本周的第三篇博客,也是本系列的倒数第二篇博客。预计下周内产出最后一篇。 最后一章将会讲解金氧半接触表面,和各种影响因素。以及电子产业的基石:金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOS-FET) |
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