第七章 半导体的接触现象(已校对).docx

《第七章 半导体的接触现象(已校对).docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第七章 半导体的接触现象(已校对).docx（20页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、第七章半导体的接触现象半导体的接触现象主要有半导体与金属之间的接触（肖特基结和欧姆接触）、半导体与半导体之间的接触（同质结和异质结）以及半导体与介质材料之间的接触。这一章主要介绍前两种接触现象。7-1外电场中的半导体无外加电场时，均匀掺杂半导体中的空间电荷处处等于零。当施加外电场时,在半导体中引起载流子的重新分布，从而产生密度为夕（力的空间电荷和强度为6（力的电场。载流子的重新分布只发生在半导体的表面层附近，空间电荷将对外电场起屏蔽作用。图7-1a表示对n型半导体施加外电场时的电路图。在图中所示情况下，半导体表面层的电子密度增大而空穴密度减小（见图7-1bc）,从而产生负空间电荷。这些空间电荷

2、随着离开样品表面的距离的增加而减少。空间电荷形成空间电场J在半导体表面s达到最大值so（见图7-1d）o空间电场的存在将改变表面层电子的电势和势能（见图7-1ef）,从而改变样品表面层的能带状况（见图7-1g）o电子势能的变化量为。(7)=-eV(尸)，其中V(不)是空间电场(也称表面层电场)的静电势。此时样品的能带变化为Ec(r)=Ec+U(r)(7-1a)Ev(r)=Ev+t(r)(7-1b)本征费米能级变化为Ei=Ei+U(r)(7-2a)杂质能级变化为Ed=Ed+(r)(7-2b)由于半导体处于热平衡状态，费米能级处处相等。因此费米能级与能带之间的距离在表面层附近发生变化。无外电场时这

3、个距离为CEc-Ef)和(Ef-Ev)(7-3)而外场存在时则为纥+0(尸)-鸟和J-Ev+(/(F)(7-4)比较(7-3)和(7-4)式则知,如果EC和Ef之间的距离减少Ue),Ef与EV之间的距离则增加。(广)。当外电场方向改变时，n型半导体表面层的电子密度将减少，空穴密度将增加，在样品表面附近的导电类型有可能发生变化，从而使半导体由n型变为p型，产生反型层，在离表面一定距离处形成本征区，此处的费米能级位于禁带的中央，见图7-2。在本征区附近导电类型发生变化的区域称物理Pn结，这种由外场引起的物理Pn结的特点是当外电场撤掉后，它就消失了。下面分析外电场对一维n型非简并半导体的影响。由泊松

4、方程可知外加电场引起的表面层电场且和空间电荷夕之间有以下关系出3(7-5)dxr如果用电势的梯度表示电场，则s=-包，于是泊松方程可改写为dxR=3(7-6)dxr假设半导体体内的电子密度为no,由于半导体是非简并的，所以表面层的电子密度为M=NCeXP(Ec+U-Ef)/KOTJ=%exp(-1/KoT)(7-7)半导体的空间电荷密度由表面层的电离施主和自由电子密度决定。如果施主杂质全部电离，即N；=%,表面层中的空间电荷密度则为p=e(N：-n)=e(on)=enQ(1-e(-C/K7)(7-8)下面只对“情况讨论，即对在外电场的作用下能带变化不大的情况进行分析。这时将exp(-UKT)项

5、展开成级数并只取前两项，则由(7-8)式得(7-9)(7-10)(7-11)p=enU/KOT=-20V(x)/KOT若引入=4JKo7/%时，(7-6)式可写为如下形式人上dx2Cd这个方程的解为V=Aexp-+Bexp-1d1d因为当x8时，V0,所以B=O,而在X=O处，V=匕。对于外加电场沿负X方向的n型半导体，由于Vs0时，能带上弯，空穴密度增加。此时，n型半导体表面层中少子密度增加，而P型半导体则多子密度增加；当(W此时，从半导体流向金属的电子流大于从金属流向半导体的电子流，结果金属一侧带负电，半导体一侧带正电，而在接触处产生一个阻止电子继续从半导体流向金属的自建电场当金属与半导体

6、的费米能级相等时，金半接触系统达到平衡，电子的流动停止。此时金属和半导体两边的热电子发射电流相等，从而可求出金半接触电势能差叫二%叫=Ef-EjM=-Wsm(7-17)式中，VO即为接触电势差，WMS=%-%为电子从金属费米能级转移到半导体导带底时需具有的最低能量，=WS为半导体内部导带底和费米能级之差，见图7-4a。由于半导体的功函数比金属小，所以半导体的接触表面层的能带向上弯曲，导带底与费米能级间的距离增加，而价带顶则与费米能级间距离减小。因此，在接触区附近导带中的电子密度减少，价带中的空穴密度增加。此时，n型半导体表面层的电子密度比体内小，从而电阻率比体内大，通常称这种表面层为耗尽层。而

7、P型半导体表面层的空穴密度则比体内大，从而电阻率比体内小，通常称这种表面层为积累层。如果半导体的功函数比金属的大，则能带下弯，从而造成n型半导体的电子积累层和p型半导体的空穴耗尽层。当接触表面层的少数载流子密度很高时，导电类型将可能发生变化，形成反型层而成为物理Pn结。如果表面层中的多子密度增量很大，可导致该层变成简并半导体。三.空间电荷区宽度和势垒电容。对于WM%的n型半导体，假设电场渗透半导体的深度为xo,并假设施主杂质全部电离，则由于接触表面层导带底电子的能量等于Ec-V(x)(7-18)根据(7-8)式，此层中的空间电荷密度为P=e%(1-exp(7-19)Ko1因为接触电势差基本上落

8、在半导体的接触表面层中，可以认为,V(x)左T,从而该层的空间电荷可认为是常数p=en。(7-20)这意味着在XO范围内的自由电子全部被电场排走而只剩下电离施主的正电荷。此时，在空间电荷层中的泊松方程可写为可+必=O(7-21)dx0r该方程的一般解为V (x)=-竺1(x0-X)2+A(Xox)+B(7-22)2%J由于电场只渗透XO距离，故上式应满足边界条件V ()=和W(XO)=(7-23)ax将(7-22)式代入(7-23)式得V (XO)=JB=。和IEO=-A=O(7-24)dx因此，n型半导体接触表面层中的电势与坐标的关系为V(X)=-丝MXo-以(7-25)2%J为了确定空间电

9、荷区宽度XO,利用X=O时的边界条件V(O)=-V0=-(Wm-Ws)(7-26)e及(7-17)和(7-25)式得=j24Ee4=J2%j(WMWy)g2%(7-27)由上式可见，no越小，(%-Wy)越大，Xo就越大。由德拜长度和(7-27)式可得=2(Wm-Ws)/KqT(7-28)1d因此，室温下，在金半接触功函数相差约IeV时，Xo比1d大约9倍。如果接触层为耗尽层，则金半接触具有电容特性。这种电容称为势垒电容，其单位面积上的电容量为C=咨=触o3en2V0(7-29)7-3金属半导体接触的整流现象当金属与n型半导体接触时，如果满足%,则在热平衡时整个体系的费米能级相同，接触表面层的

10、能带上弯，出现耗尽层。此时由热电子发射理论可知，由金属指向半导体的热电子发射电流J1为J1=CexP+叫(7-30)KOT而由半导体指向金属的热电子发射电流J2则为J2=Cexp-(7-31)KqT式中，常数C=4emKT2h3,由(7-17)式又知WM=WS+e%,从而，热平衡时有J1=J2(7-32)当对金半接触体系施加外电场时，半导体成为非平衡态，体系的费米能级不再统一，而是在接触表面层中随坐标位置变化，成为准费米能级。此时由半导体指向金属和由金属指向半导体的热电子发射电流将出现差别，引起电流在金半接触体系中流动。以下给出外电场方向不同时，通过金半接触的电流密度。当半导体一侧接电源负极而

11、金属一侧接电源正极(正向偏置)时，偏置电压由于接触表面层的电阻大而几乎全部落在这一区域。半导体内部的费米能级相对于EC不变，但相对于金属的费米能级将移动eV,因此，金半接触电势差将减少V,并等于VO-V,而在接触表面层中，费米能级从耳变化到?”见图7-5a,结果平衡态被破坏，在金半接触中产生电流J=J1-J2(7-33)由于正偏时，半导体的势垒高度下降，有更多的电子能够从半导体过渡到金属，从而使电流J1比热平衡时的大且为J1=Ce邛(%+eV0-eV)K0T(7-34)而此时，金属一侧的势垒高度不变，从半导体到金属的电流密度与热平衡时的相同，即有人=CexP(-%/KOT)(7-35)从而总电

12、流密度为J=J1-J2=Cexp(-/KoT)exp(eV7C0T)-1(7-36)=Jsexp(eV7C0T)-1当金属一侧施加负电压(反向偏置)时，在半导体一侧的势垒高度增加eV。这时，通过金半接触的电流密度为J=Ce-(Wy+e%+eV)K0T-Cexp(-/KOT)Cexp(-/KOT)exp(-eV/K0T)-1=Jsexp(-eV/K0T)-1(7-37)如果认为正向偏置时V0,反向偏置时V0,则(7-36)和(7-37)式可统一写为J=Jsexp(eV/KOT)-1(7-38)由上式可见，正偏时通过金半接触的电流密度随偏压按指数律上升，而反偏时，则增加到JS为止。因此，金半接触具有整流作用。存在外电场时，半导体空间电荷区宽度为X1=y20r(