第七章_金属和半导体的接触.pptx
7.1 7.1 金属金属-半导体接触和能带图半导体接触和能带图7.2 7.2 金金-半接触整流理论半接触整流理论7.3 7.3 少数载流子的注入和欧姆接触少数载流子的注入和欧姆接触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3、欧姆接触的特性。两个要点：两个要点：功函数和禁带宽度的不同金属功函数和禁带宽度的不同金属/半导体接触能带图的变化；半导体接触能带图的变化；肖特基接触的整流特性即电流电压肖特基接触的整流特性即电流电压I-V特性。特性。第1页/共82页一、金属和半导体的功函数Wm、Ws1 1、金属的功函数、金属的功函数Wm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(EF)mWmE0为真空中电子的能量，为真空中电子的能量，又称为真空能级。又称为真空能级。金属铯Cs的功函数最低1.93eV，PtPt最高为5.36eV6.1 金属-半导体接触和能带图第2页/共82页2 2、半导体的功函数、半导体的功函数WsE0与费米能级之差称为半导体的功函数。用用 表示从Ec到E0的能量间隔：称为电子的亲和能亲和能，它表示要使半导体导带导带底底的电子逸出体外所需要的最小最小能量。Ec(EF)sEvE0WsEn第3页/共82页 N型半导体：型半导体：式中：P型半导体：型半导体：式中：Note:半导体的费米能级随杂质浓度变化，所以，Ws也和杂质浓度有关也和杂质浓度有关。第4页/共82页二、金属与半导体的接触及接触电势差二、金属与半导体的接触及接触电势差1.阻挡层接触设想有一块金属和一块N型半导体，并假定金属的功函数大于半导体的功函数，即：（1）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，10221023cm-3半导体载流子的浓度比较低，10101019cm-3金属金属n半导体半导体E0 xWsEFsEcEnWmEFmEv第5页/共82页金属半导体接触前后能带图的变化：WmEFmWsE0EcEFsEv接触前 接触前，半导体的费米能级高于金属（相对于真空能级），半导体导带的电子有向金属流动的趋势第6页/共82页接触时(导线连接)，费米能级一致，在两类材料的表面形成电势差Vms。接触电势差：E0 xWsEFsEcEnWmEFmEv-qVms-第7页/共82页紧密接触时，形成空间电荷区，接触电势差降落在空间电荷区: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Vs0金属一边的势垒高度为：VsEFEvqVDEc内建内建EWmEFEvqVDEc内建内建EWm第8页/共82页在势垒区，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。电子必须跨越的界面处势垒通常称为肖特基势垒（Schottky barrier)金属与N型半导体接触时，若WmWs，电子向金属流动，稳定时系统费米能级统一，在半导体表面一层形成正的空间电荷区，能带向上弯曲，形成电子的表面势垒。EcEFEnqVdEv第9页/共82页金属和p型半导体WmWs金属与P型半导体,WmWs阻挡层阻挡层第11页/共82页2.2.反阻挡层接触金属与N型半导体接触时，若Wm 0，能带向下弯曲。（1 1）金属与N型半导体接触WmEFmWsE0EcEFsEvEEcEFsEv在半导体表面，相当有个电子的势阱(积累区)，多子电子的浓度比体内大得多，是一个高电导区，即电子反阻挡层。第12页/共82页（2 2）金属与P型半导体接触金属与P 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，VsWs阻挡层阻挡层反阻挡层反阻挡层WmWsWmWs表面态提供电子流向金属表面态提供电子流向金属半导体半导体表面态密度很高表面态密度很高时时:表面态可放出足够多的电子，表面态可放出足够多的电子，几乎不影响势垒区，可以屏蔽几乎不影响势垒区，可以屏蔽金属接触的影响，半导体内部金属接触的影响，半导体内部的势垒高度和金属的功函数几的势垒高度和金属的功函数几乎无关，基本上由半导体表面乎无关，基本上由半导体表面的性质决定的性质决定在表面态密度大于1013cm-2，则表面处的费米能级位于禁带的1/3处（相对于价带顶），这个位置称为巴丁极限。-WmEcEFEnqVdEv+-第22页/共82页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金属/n半导体接触能带图采用理想的模型，不考虑表面态的影响采用理想的模型，不考虑表面态的影响WmWsqnsWm-Ws=qVdWm-Ws=qVd第23页/共82页金半接触系统的阻挡层 没有净电流净电流：净电流：不外加电压，不外加电压，处于平衡：处于平衡：JmsJsmq qnsnsWm-Ws=qVdWm-Ws=qVdqVd=-q(Vs)0半导体边势垒：半导体边势垒：第24页/共82页qns外加正电压，半导体边势垒减小外加正电压，半导体边势垒减小外加负电压，半导体边势垒增加外加负电压，半导体边势垒增加qnsq(Vd-V)q(Vd+V)半导体边势垒：半导体边势垒：q(Vd-V）=-q(Vs)0+V半导体边势垒：半导体边势垒：半导体边势垒：半导体边势垒：q(Vd+V）=-q(Vs)0-V外加电压时外加电压时：金属边的势垒不随外加电压变化金属边的势垒不随外加电压变化第25页/共82页加上正向电压在n型阻挡层(金属一边为正)时：半导体一边的电子势垒高度减低，势垒宽度减薄，多子电子从半导体流向金属的数目变多从金属流向半导体的正向电流从金属流向半导体的正向电流变大变大随电压增加而变得越大随电压增加而变得越大外加电压时外加电压时：q(Vd-V）=-q(Vs)0+V金属边的势垒不随外加电压变化金属边的势垒不随外加电压变化半导体边势垒：半导体边势垒：q(Vd-V)第26页/共82页加上反向电压（金属一边为负）时：半导体一边的电子的势垒高度增加，半导体到金属的电子数目减少，相反金属到半导体的电子流占优势，形成由半导体到金属的反向电流。进一步增加反向电压金属到半导体的势垒高，金属到半导体的势垒高，反向电反向电流小，且与外加电压无关，随电流小，且与外加电压无关，随电压增加而饱和压增加而饱和q(Vd+V）=-q(Vs)0-V半导体边势垒：半导体边势垒：q(Vd+V)第27页/共82页不论电子阻挡层，还是空穴阻挡层，不论电子阻挡层，还是空穴阻挡层，正向电流都是正向电流都是多数载流子从半导体流向金属多数载流子从半导体流向金属肖特基结的整流特性肖特基结的整流特性第28页/共82页势垒区中存在电场，有电势的变化，导致载流子浓度的不均匀。计算通过厚阻挡层厚阻挡层势垒的电流时，必须同时考虑漂移和扩散运动。2、整流理论I-V特性对于n型阻挡层，当势垒宽度比电子的平均自由程大得多，即xd ln时，电子通过势垒区将发生多次碰撞厚阻挡层厚阻挡层。扩散理论适用于厚阻挡层。（1 1）扩散理论）扩散理论）扩散理论）扩散理论 Diffusion TheoryDiffusion Theory第29页/共82页简化模型简化模型(耗尽层近似耗尽层近似)：势垒高度qVDk0T势垒区内的载流子浓度0空间电荷完全由电离杂质电荷形成均匀掺杂0N型半导体的耗尽层型半导体的耗尽层xd：耗尽层的宽度ND：是施主掺杂浓度 电势在半导体中的分布EF0 xdxVmetalsemiconductorSpace charge regionqF FnsEn=qF Fn-qVs =qVD耗尽层耗尽层则电荷密度分布：则电荷密度分布：第30页/共82页边界条件：半导体内部电场为零半导体内部电场为零以金属费米能级处为电势零点以金属费米能级处为电势零点(-EFm/q)积分得：积分得：电场分布电势分布第31页/共82页外加电压V在金属上:0VEFxd故第32页/共82页当表面势外加电压V和表面势同号时，势垒高度势垒高度提高、势垒宽度势垒宽度变大。由此可见由此可见,xd 随外加电压的变化而变化势垒宽度势垒宽度 xd：第33页/共82页 通过势垒的电流密度：漂移电流漂移电流扩散电流扩散电流电流密度：电流密度：代入：J第34页/共82页两边同时乘因子在稳定的情况下，J 是与 x 无关的常数第35页/共82页xd 处(已到半导体体内):x=0 处(半导体表面):用耗尽层近似耗尽层近似求积分 J第36页/共82页电势分布：电势分布：在势垒高度大于在势垒高度大于 k0T 时，时，积分主要决定于积分主要决定于x=0附近的电势值，去掉附近的电势值，去掉x2 项项随随 x 增大而急剧减小！增大而急剧减小！由由第37页/共82页代入到：代入到：把积分函数和把积分函数和 xd 的表达式的表达式第38页/共82页可得到电流密度为：可得到电流密度为：其中，其中，第39页/共82页 J-V特性讨论：其大小主要决定于其大小主要决定于指数因子指数因子(1)V0时：(2)Vk0T：如果qVk0T：金半接触伏安特性金半接触伏安特性JSD 随电压而缓慢变化，但并不趋于定值，即没有饱和氧化亚铜，迁移率较小，即平氧化亚铜，迁移率较小，即平均自由程较短，扩散理论适用均自由程较短，扩散理论适用第40页/共82页例：例：电阻率为10cm的n型Ge和金属接触形成的肖特基势垒高度为0.3eV,求加上5V反向电压时的空间电荷层厚度及空间电荷层内最大电场强度。解：解：当=10cm时，计算得ND=1.61014cm-3，因为qf fns=0.3eV，所以 :加上5V反向电压后 7.56 m mm第41页/共82页热电子发射热电子发射Thermionic electron emission in a vacuum tube第42页/共82页决定作用是势垒高度，而不是宽度。当电子具有足够能量E时才能越过势垒顶部，电子可以自由越过势垒进入另一边。电流密度的计算即求越过势垒的载流子数目。热电子发射理论当当n n型阻挡层很薄型阻挡层很薄时，电子的平均自由程大于势垒宽度时，电子的平均自由程大于势垒宽度,扩扩散理论不再适用。散理论不再适用。电子通过势垒区的碰撞可以忽略。电子通过势垒区的碰撞可以忽略。W qVD有外加电压，有外加电压，E q(VD-V)第43页/共82页非简并半导体的n型阻挡层为例，设设qVD k0T，通过势垒交换的电子很少，体内的电子浓度视为常数，与电流无关。qns-qVs=qVdqVdI电流的正方向是从金属到半导体 Jsm（正向电流）（正向电流）电子从半导体向金属发射n为能量高于Ec+qVd的热电子数，dn为 dE 内的电子数dE第44页/共82页非简并半导体,分布函数为Boltzmann分布，故：dn又：又：第45页/共82页第46页/共82页vx正方向为垂直于半导体指向金属界面的方向。单位时间，通过单位截面积，在11vx体积内的电子可到达界面Metal Semivx1vx要越过势垒，第47页/共82页电子流密度：z第48页/共82页 Jms时（反向电流）时（反向电流）qns-qVs=qVDqVDI金属到半导体的势垒高度qns不随外加电压变化，故 Jms 是常量。平衡时(V=0):Jms=-JsmJms第49页/共82页ns 是金属一边的电子势垒 总的电流密度总的电流密度J第50页/共82页 扩散理论与热电子发射理论之比较：扩散理论与热电子发射理论之比较：扩散理论扩散理论热电子发射理论热电子发射理论JSD 随外加电压变化随外加电压变化对温度敏感不如对温度敏感不如JSTJST 与外加电压无关与外加电压无关对温度很敏感对温度很敏感xd lnxd xm：qfD镜像势能镜像势能EF镜像力对势垒的影响镜像力对势垒的影响第56页/共82页 外加电压时势垒极大值的位置为：镜像力引入的势垒与qns 相比很小，势垒高度-qV(xm)。所以：镜像势能镜像势能EF又 2xmxd x2m近似采用平衡时的结果近似采用平衡时的结果第57页/共82页镜像势能镜像势能EFxd第58页/共82页当反向电压|V|VD 时，镜像力的作用明显！第59页/共82页（2）隧道电流的影响:隧道效应：能量低于势垒顶的电子，有一定的几率穿过这个势垒。决定隧道穿透几率的两个因素：（a a）势垒高度（b b）隧道厚度简化模型：势垒厚度xd大于临界值xc，电子完全不能穿过；小于xc势垒对电子完全透明,电子可以直接通过!xc第60页/共82页势垒高度的减低如xcxd，x=xc金属一边的有效势垒为(x=xc)：0VEFxcq q第61页/共82页隧道效应引起的势垒的减低为：随反向电压增加而增大，并且反向电压较高时，势垒减低才明显。镜像力和隧道效应对镜像力和隧道效应对I-VI-V特性的作用基本相同，对特性的作用基本相同，对反向特性影响显著，引起势垒减低反向电流增加反向特性影响显著，引起势垒减低反向电流增加q q =第62页/共82页JSD=?JST=?考虑镜像力、隧道效应后的反向饱和电流：考虑镜像力、隧道效应后的反向饱和电流：第63页/共82页例：有一块施主浓度ND=1016/cm3的n型锗材料，其(111)面与金属接触制成肖特基二极管，已知VD=0.4V，考虑镜像力影响时，求加上0.3V电压时的正向电流密度。解：镜像力影响导致的势垒高度降低量为：半导体侧实际势垒高度：金属侧势垒高度：A*=1.11 A第64页/共82页6.3 少数载流子的注入和欧姆接触少数载流子的注入和欧姆接触1、少数载流子的注入对n型阻挡层，对少子空穴空穴就是积累层，在势垒区表面空穴浓度最大：由表面向内部扩散，平衡时被电场抵消。EVJn在正向电压时，空穴扩散电流和电子电流方向一致。部分正向电流由少子贡献。第65页/共82页1.决定于阻挡层中空穴的浓度。势垒很高时，接触表面空穴浓度很高。2.受扩散能力的影响。在正向电压时，空穴流向半导体体内，在阻挡层形成一定的积累，然后靠扩散进入半导体体内。注入比 g g：在加正向电压时，少子电流和总电流的比在大电流时，注入比随电流密度的增加而增大少子空穴电流的大小：EcEFEVqVDEcEVEc(0)EV(0)qVD第66页/共82页2、欧姆接触定义定义：金/半接触的非整流接触：不产生明显的附加电阻，不会使半导体体内的平衡载流子浓度发生明显的改变。应用：应用：半导体器件中利用电极进行电流的输入和输出要求金属和半导体接触形成良好的欧姆接触。在高频和大功率的器件中，欧姆接触是设计和制造的关键。实现：实现：1.反阻挡层反阻挡层，实现欧姆接触。实际中，由于很高的表面态难于实现。2.隧道效应隧道效应，实现半导体制造的欧姆接触。第67页/共82页隧道厚度的估算（参考）当势垒厚度，x Ws阻挡层阻挡层反阻挡层反阻挡层Wm0时，若qVkT，其电流电压特性为：第76页/共82页其中：其中：当当VkT，则，则：随电压变化，并不饱和随电压变化，并不饱和 第77页/共82页（2）、热电子发射理论：电流-电压特性为 JST与外加电压无关，但强烈依赖于温度与外加电压无关，但强烈依赖于温度 Ge，Si，GaAs具有较高的载流子迁移率，即有较大具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理主要是肖特基势垒中的电流输运机理主要是热电子发射热电子发射。第78页/共82页4、镜像力和隧道效应的影响:镜像力和隧道效应对反向特性有显著影响，它镜像力和隧道效应对反向特性有显著影响，它们引起势垒高度的降低，使们引起势垒高度的降低，使反向电流反向电流增加。增加。5、少数载流子的注入、少数载流子的注入:在金属和在金属和n型半导体的整流接触上加正向电压时，型半导体的整流接触上加正向电压时，就有空穴从金属流向半导体，这种现象称为就有空穴从金属流向半导体，这种现象称为少数少数载流子的注入载流子的注入。少数载流子电流与总电流之比称。少数载流子电流与总电流之比称为少数载流子注入比，用为少数载流子注入比，用表示。表示。对对n型阻挡层型阻挡层 第79页/共82页6、欧姆接触特性和制作、欧姆接触特性和制作 欧姆接触可以通过金属半导体形成反阻挡层或隧欧姆接触可以通过金属半导体形成反阻挡层或隧道效应制造。实际生产中，主要利用隧道效应在道效应制造。实际生产中，主要利用隧道效应在半导体上制造欧姆接触。半导体上制造欧姆接触。第80页/共82页Page 238:Page 238:3 3、4 4、6 6、7 7、8 8 习题：第81页/共82页感谢您的观看！第82页/共82页
