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第七章-金属和半导体的接触.ppt

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第 七 章,,金 属 和 半 导 体 的 接 触 Metal-Semiconductor Contact,1、金属与半导体形成的肖持基接触和欧姆接触,阻挡层与反阻挡层的形成; 2、肖特基接触的电流—电压特性——扩散理论和热电子发射理论,即肖特基势垒的定量特性;(详细阐述) 3、欧姆接触的特性。,主要内容(三大点,约10课时):,2、MESFET( metal-semiconductor field-effect transistor) 具有与MOSFET相似的电流-电压 特性,但在器件的栅(gate)上电极部分利用金属 -半导体的整流接触取代了MOSFET的MOS结 构;用欧姆接触取代MOSFET的p-n结。,§7.1 金属-半导体接触和能级图,一、概述:,1、在微电子和光电子器件中,半导体材料和金属、半导体以及绝缘体的各种接触是普遍存在的,如MOS器件、肖特基二极管、气体传感器等。薄膜技术及纳米技术的发展,使得界面接触显得更加重要。,4、两个要点: ①功函数和禁带宽度的不同金属/半导体接触能带图的变化; ②肖特基接触的整流特性即电流-电压I-V特性。,二、金属和半导体的功函数Wm 、Ws,1、金属的功函数Wm,表示一个起始能量等于费米能级的电子,由金属内部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。,E0为真空中静止电子的能量,又称为真空能级。,金属铯Cs的功函数最低1.93eV,Pt最高为5.36eV,2、半导体的功函数Ws,E0与费米能级之差称为半导体 的功函数。,用Χ表示从Ec到E0的能量间隔:,称χ为电子的亲和能,它表示要使半导体导带 底的电子逸出体外所需要的最小能量。,Note: 和金属不同的是,半导体的费米能级随杂质浓度变化,所以,Ws也和杂质浓度有关。,3、金属/半导体接触,三、金属与半导体的接触及接触电势差,1. 阻挡层接触,即半导体的费米能EFs 高于金属的费米能EFm,金属的传导电子的浓度 很高,1022~1023cm-3 半导体载流子的浓度比 较低,1010~1019cm-3,金属半导体接触前后能带图的变化:,在接触开始时,金属和半导体的间距大于原子的 间距,在两类材料的表面形成电势差Vms。,接触电势差:,紧密接触后,电荷的流动使得在半导体表面相当 厚的一层形成正的空间电荷区。空间电荷区形成 电场,其电场在界面处造成能带弯曲,使得半导 体表面和内部存在电势差,即表面势Vs。接触电 势差分降在空间电荷区和金属与半导体表面之间 。但当忽略接触间隙时,电势主要降在空间电荷 区。,现在考虑忽略间隙中的电势差时的极限情形:,半导体一边的势垒高度为:,金属一边的势垒高度为:,半导体体内电场为零,在空间电荷区电场方向由内向外,半导体表面势Vs<0,在势垒区,空间电荷主要由电离施主形成,电子浓度比体内小得多,是一个高阻区域,称为阻挡层。界面处的势垒通常称为肖特基势垒。,金属与P型半导体接触时,若WmWs,即金属的费米能级比半导体的费米能级高,半导体的多子空穴流向金属,使得金属表面带正电,半导体表面带负电,半导体表面能带向下弯曲,形成空穴的表面势垒。,(2)金属-p型半导体接触的阻挡层,在半导体的势垒区,空间电荷主要由负的电离受 主形成,其多子空穴浓度比体内小得多,也是一 个高阻区域,形成空穴阻挡层。,金属和p型半导体WmWs 空穴阻挡层,对空穴讲,向下是能量增加,在P型半导体多子 是空穴,半导体多子流向金属后,留下带负电的 电离受主杂质,即空间电荷区,能带向下弯曲。,半导体一边的势垒高度是:qVD=Ws-Wm,(3)金属-半导体接触的阻挡层,所谓阻挡层,在半导体的势垒区,形成的空间电 荷区,它主要由正的电离施主杂质或负的电离受 主形成,其多子电子或空穴浓度比体内小得多, 是一个高阻区域,在这个区域能带向上或向下弯 曲形成电子或空穴的阻挡。,2. 反阻挡层接触,金属与N型半导体接触时,若Wm0,能带向 下弯曲。这里电子浓度比体内大得多,因而是一 个高电导的区域,称之为反阻挡层,即电子反阻 挡层。,(1)金属与N型半导体接触,金属 /n型半导体接触前后电子反阻挡层形成能带图的变化:,在半导体表面,能带向下弯曲,相当有个电子的 势阱, 多子电子的浓度比体内大得多,是一个高通 区,即电子的反阻挡层-高导通区。(很薄!),(2)金属与P型半导体接触,金属与P型半导体接触时,若WmWs,空穴将从金属流向半导体表面,在半导体表面形成正的空间电荷区,电场方向由体内指向表面,Vs0,能带向上弯曲,这里空穴浓度比体内大得多,因而是一个高电导的区域,称之为反阻挡层,即空穴反阻挡层。,上述金半接触模型即为Schottky 模型:,Note:反阻挡层是很薄的高电导层,对半导体和 金属的接触电阻的影响是很小的,它在平常的实 验中观测不到。,理想晶体自
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