第七章金属和半导体的接触

第七章金属和半导体的接触主要内容•§7.1金属和半导体接触及其能级图•§7.2金属和半导体接触整流理论•§7.3少数载流子的注入和欧姆接触掌握阻挡层与反阻挡层的形成，肖特基势垒的定量特性，欧姆接触的特性。一、功函数1.金属的功函数Wm金属的功函数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(EF)mWm0()mFmWEEE0为真空中电子的能量，又称为真空能级。§7.1金属和半导体接触及其能级图金属中的电子在势阱中运动2.半导体的功函数WsE0与费米能级之差称为半导体的功函数。0()sFsWEEχ表示从Ec到E0的能量间隔：0cEE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。Ec(EF)sEvE0χWsEnscFnsWEEE式中：()ncFsEEEN型：半导体Ec(EF)sEvE0χWsEnP型半导体：()pFsvEEE()soFsgpWEEEE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：msWW二、金属与半导体的接触及接触电势差1.阻挡层接触接触前：FFsmEEFFmssmEEWWE0xWsEFsEcEnWmEFmEv半导体中的电子金属—+Vms称为金属与半导体接触电势差。接触后：（间隙大）E0xWsEFsEcEnWmEFmEvVms半导体电势提高，金属电势降低，直到二者费米能级相平紧密接触：EcEFEnqVdnsqEvWsxq（Vs，—Vm）空间电荷区E表面形成空间电荷区,内部产生自建电场。表面势Vs：空间电荷区两端的电势差。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：DsmsqVqVWW金属一边的势垒高度为：mnDnsnmsnmqqVEqVEWWEWEcEFEnqVdnsqEv（Vs0）金属与N型半导体接触时，若WmWs，半导体表面形成表面势垒。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。EcEFEnqVdnsqEvE2.反阻挡层接触（欧姆接触）若WmWs，金属与N型半导体接触时，电子将从金属流向半导体，在半导体表面形成负的空间电荷区，电场方向由表面指向体内，Vs0，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。EcEFWs-WmEvx-WmE金属与P型半导体接触时，若WmWs，能带向上弯曲，形成P型反阻挡层。金属与P型半导体接触时，若WmWs，形成空穴的表面势垒。在势垒区，空间电荷主要由电离受主形成，空穴浓度比体内小得多，也是一个高阻区域，形成P型阻挡层。N型P型WmWs阻挡层反阻挡层WmWs反阻挡层阻挡层肖特基接触（整流接触）金属/半导体接触欧姆接触形成n型和p型阻挡层的条件三.表面态对接触势垒的影响1.表面态和表面能级：表面态：源于半导体表面晶格的不完整性，表面吸附外来原子或离子。它是局域在表面附近的新电子态。表面态能级：大多数半导体的在Ev以上Eg/3的地方。2.表面态的类型1）施主型：电子占满时呈中性，失去电子带正电。以下的表面态空着，表面带正电。2）受主型：能级空时为电中性，接受电子带负电。以上的表面态被电子填充，表面带负电。3.表面态对接触势垒的影响受主态n型半导体能带图无表面态时半导体功函数：有表面态时半导体功函数：因半导体与表面态交换电子，（不与金属接触时）半导体表面能带发生弯曲qVD,势垒高度随Wm不是线性变化。•半导体存在高密度表面态时势垒高度与金属功函数无关，称为高表面态密度钉扎（pinning）,称为巴丁模型。小结•半导体表面态密度很高时（1017eV-1.cm-2),它可屏蔽金属接触的影响，使得势垒高度与金属功函数几乎无关，而由半导体表面性质决定。•当表面态密度不是很高时，金属功函数对势垒高度产生不同程度的影响。§7.2金属和半导体接触整流理论一.外加电压对n型阻挡层（Vs0）的作用1.外加电压V=0半导体侧电子势垒高度:无净电流2.加正向电压V0•半导体侧电子势垒高度降低为-q[（Vs）0+V)]•金属侧电子势垒高度不变。•电流方向M→S，由S→M的电子形成正向电流。3.加反向电压V0•半导体侧电子势垒高度增加为：-q[（Vs）0+V)]•电流方向S→M，由M→S的电子形成反向电流阻挡层的I/V特性•􀂾正向电流随外加正向电压增加而增大；•􀂾金属一侧势垒很高，反向电流很小，且趋于饱和。•􀂾阻挡层具有单向导电性——整流特性。P型半导体n型和p型阻挡层的作用•阻挡层具有整流特性；•正向电流规定为半导体多子形成的电流；•n型:金属极加正电压，V0，形成电子由半导体到金属的正向电流；电流方向：金属→半导体•p型：金属极加负电压V0，形成空穴由半导体到金属的正向电流；电流方向：半导体→金属1.扩散理论•流过势垒的电流主要由电子在耗尽区的扩散和漂移过程决定。•适于势垒区宽度远大于电子的平均自由程的半导体二.理论模型耗尽区:杂质全电离，电荷由杂质电离形成。电场仅存在空间电荷区。方向指向半导体表面。泊松方程：利用边界条件：势垒中的电场V0,势垒宽度xd随V增加而减小，半导体侧势垒降低。V0，势垒宽度xd随V增加而增加，半导体侧势垒升高这种依赖于外加电压的势垒，称为肖特基势垒。最大电场随反向电压的增加而增大，正向电压的增加而减小，且随掺杂浓度的增加而增大；势垒区宽度随反向电压的增加而增大，正向电压的增加而减小，且随掺杂浓度的增加而减小，注意：讨论：流过势垒的电流密度：半导体势垒区与中性区存在浓度梯度，所以有扩散电流。有外加电压时，存在漂移电流。利用：得到：根据：同乘以得到：积分：利用边界条件：由于随x增加迅速减小只考虑在x=0附近2xxd＞＞x2积分，得到：其中讨论：1）当qV﹥﹥k0T，有J=JsDexp（qV/k0T），为通常情况。2）当-qV﹥﹥k0T，则J=-JsD，不饱和，JsD随外加电压的升高而增加。2.热电子发射理论•假设流过势垒的电流主要受电子越过势垒的过程限制。•适于电子的平均自由程远大于势垒区宽度的半导体。平衡时，界面处半导体侧的电子浓度:单位时间入射到单位面积上的电子数为：nVth/4，平衡时，由半→金的热电子发射电流密度与金→半都为：当V0时，界面处半导体侧势垒高度降低,电子浓度:当V0时，由半→金的电子流密度:金属一侧势垒高度不变，实际净正向电流密度为：其中：令∴其中：3.两个理论模型的比较1、扩散理论的：J=J[exp(qVkT)−1]JSD不饱和，与外加电压相关。热电子发射理论：J=J[exp(qV/kT)−1]JsT与外加电压无关，但强烈依赖于温度。2、扩散理论适于势垒区宽度远大于电子的平均自由程的半导体,如氧化亚铜，非晶硅。热电子发射理论适于势垒区宽度远小于电子的平均自由程的半导体，如Ge、Si、GaAs等。三.理论模型与实测结果的偏差（影响因素）1.镜像力的影响：在金属、真空系统中，一个在金属外面的电子，要在距离金属表面同样距离（在金属内部）感应出等量的正电荷，这个正电荷称为镜像电荷，电子和镜像电荷之间的吸引力称为镜像力。镜像力引起的势垒降低，并随反向电压的增加而增大。从而使反向电流增加。镜像力在反向电压比较大的情况下（—V﹤﹤VD），镜像力效应才比较明显，它主要对反向特性影响大。2.隧道效应的影响能量低于势垒顶的电子有一定几率穿过这个势垒，穿过的几率取决于电子的能量和势垒的厚度。隧道效应引起的势垒降低随反向电压的增加而增大从而使反向电流增加。它主要对反向特性影响比较大。超薄势垒对载流子无阻挡能力，电子可以自由穿过势垒。通过半导体表面重掺杂可以获得超薄势垒，形成隧道电流，从而制备可获得欧姆接触。四.肖特基势垒二极管•利用肖特基效应由金半整流接触制作的二极管称为肖特基势垒二极管。1.特点（与pn结二极管相比）：1）它是多子器件，较好的高频特性。2）有较低的正向导通电压（0.3V左右）。2.应用：高速集成电路，微波器件等。§7.3少数载流子的注入和欧姆接触1、少数载流子的注入n型阻挡层扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动电子空穴当正向电压较小时，电场较小，漂移电流较小，J扩J漂多子扩散电流远高于少子扩散电流，通常忽略少子扩散电流。正向电流为多子扩散电流。dxdpqDEqpJnppnp空穴电流密度：当正向电压足够高时，电场较大，电场引起很大的载流子漂移电流，使得少数载流子电流在电流中起主导作用。对n型阻挡层，小注入时：少数载流子注入比：为了降低必须采用有高的ND（相当于低电阻率材料）和小的ni（相当于宽禁带材料）的金属-半导体系统。2、欧姆接触1）欧姆接触：不产生明显的附加阻抗，电流在其上的产生的压降远小于在器件本身上所产生的压降。2）欧姆接触的重要性：作为器件引线的电极接触，要求在金属和半导体之间形成良好的欧姆接触。在超高频和大功率器件中，欧姆接触是设计和制造中的关键问题之一。3）欧姆接触的制备方法（1）选择适当金属，使其和半导体形成反阻挡层。n型—WmWsp型—WmWs因半导体存在高密度表面态，实际很难做到形成反阻挡层。（2）利用隧道效应——半导体表面高掺杂。电子遂穿势垒的几率取决于：电子能量和势垒宽度。势垒宽度：当掺杂浓度很高时，势垒很窄，形成很大的隧道电流：高掺杂时,接触电阻当ND≥1019cm−3时，接触电阻强烈依赖于掺杂浓度；浓度越高，电阻越低。低、中等掺杂时，对势垒接触，电流适于热电子发射理论，接触电阻：当N≤1017cm−3接触电阻与掺杂浓度无关。形成欧姆接触的方法在半导体表面薄层形成高掺杂层，通常做成M/n+/n或M/p+/p结构获得良好的欧姆接触。金属（或合金、金属硅化物）可采用蒸发、溅射、电镀等。半导体表面粗磨或喷砂，表面形成大量复合中心。使表面耗尽区的复合成为控制电流的主要机构，接触电阻大大降低，近似称为欧姆接触。选择低势垒欧姆接触。小结•需掌握的公式（由n型半导体推导）：半导体侧势垒高度(WmWs):金属侧势垒高度肖特基模型巴丁模型热电子发射理论I/V特性其中JST与外加电压无关，但强烈依赖于温度。扩散理论I/V特性其中JSD不饱和，与外加电压相关耗尽层宽度：势垒区宽度随掺杂浓度的增加而减小，随反向电压的增加而增大，正向电压的增加而减小接触电阻：高掺杂形成隧道效应常用来制备制备欧姆，其接触电阻随掺杂浓度增加而减小基本概念1.表面态施主型电子占满时呈中性，失去电子带正电。受主型能级空时为电中性，接受电子带负电。2.表面态能级:电子刚好填满其下的所有态时呈中性。EF位于以上，表面态为受主型，EF位于以下，为施主型，3.扩散理论适用于势垒区宽度远大于电子的平均自由程的半导体。热电子发射理论适用于势垒区宽度远小于电子的平均自由程的半导体，常用半导体Ge、Si、GaAs适用于热电子发射理论。基本理论金属与n型半导体接触WmWs表面电子浓度低—阻挡层WmWs表面电子浓度高—反阻挡金属与P型半导体接触WmWs表面空穴浓度低—阻挡层WmWs表面空穴浓度高—反阻挡层阻挡层的整流理论1）阻挡层具有整流特性；2）正向电流为半导体多子形成的电流；3）n型:金属极加正电压，V0，形成电子半导体金属的正向电流；电流方向：从金属半导体p型：金属极加负电压V0，形成空穴由半导体金属的正向电流；正向电流方向：半导体金属镜象力和隧道效应均对反向特性的影响显著，势垒降低使反向电流增大。作业•P1943，4，7，8.课堂思考题•金属和半导体的功函数是如何定义的？半导体的功函数与哪些因素有关？•分析n型和p型半导体形成阻挡层于反阻挡层的条件。•分别画出半导体与金属接触时的能带图（分为Ws＞Wm和Ws＜Wm，并忽略表面态的影响）•什么叫欧姆接触？金属与重掺杂的半导体能形成欧姆接触，简单其物理原理。•什么叫少数载流子注入效应？•镜像力和隧道效应如何影响金