半导体物理学刘恩科第七版-第七章-金半接触

第七章金属和半导体接触7.1金属半导体接触及其能级图；7.2金属半导体接触整流理论7.3少数载流子注入和欧姆接触7.1金半接触及其能带图0k时，金属：EEF时，能级填满EEF时，能级全空一定温度T下，金属中EF附近电子热激发，跃迁到EEF的能级金属内部的电子好像在势阱中运动。金属内部电子逸出成为自由电子所需要的最小能量为：半导体中，使内部电子从半导体逸出成为自由电子所需要的最小能量为：Ws为半导体的功函数表示半导体导带底的电子逸出体外需要的最小能量。Ws=+Ec-EF=+En若一块金属和一块n型半导体，具有共同的真空静止能级，且（金属功函数）WmWs（半导体功函数）。接触前：接触后：特征：1)Efs高于Efm;2)Efs-Efm=Ws-Wm特征：1)接触后，半导体中的电子向金属中流动2)平衡后具有统一费米能级，再无净电子流过。接触后电子流动的结果：金属表面带负电，半导体表面带正电。所带电荷在数量上保持相同，系统保持电中性。相对于EFm,EFs下降了(Wm–Ws)金属-半导体接触产生的电势差(V’s-Vm)=(Wm–Ws)/qq(V’s-Vm)=(Wm–Ws)D为金属-半导体间的间距D越小，靠近半导体的金属表面负电荷密度增加靠近金属的半导体表面正电荷密度增加。半导体表面的正电荷分布在一定厚的表面层内，即空间电荷区。空间电荷区内存在一定电场，造成能带弯曲。使表面和内部存在电势差Vs.接触电势差=Vs+Vms(Vs+VmS)=(Ws–Wm)/qD很小时，VmS很小，接触电势差主要降落在空间电荷区。D很小时，Vs=(Ws–Wm)/q半导体一侧的势垒高度为：qVD=-qVs=(Wm–Ws)其中，Vs〈0金属一侧的势垒高度为：qns=qVs+En=(Wm–Ws)+En=Wm–Ws=+EnVs〈0Vs01.电子从半导体流向金属，表面形成正的空间电荷区;2.E由体内指向表面；1.电子从金属流向半导体，表面形成负的空间电荷区;2.E由表面指向体内；3.能带向下弯曲，表面形成势垒4.势垒区电子大于体内，形成高电导区，常称反阻挡层。3.能带向上弯曲，表面形成势垒；4.势垒区由电离施主而成，形成高阻区，常称阻挡层。Vs0Vs〈0金属与p型半导体接触时，情况刚好相反。1.能带向下弯曲；2.形成p型阻挡层。1.能带向上弯曲；2.形成p型反阻挡层。对一定半导体，亲和势一定。理论上，金属材料不同，功函数Wm不同，势垒高度也不同。实际上，虽然金属功函数Wm差别较大不同，势垒高度差别不大。由于半导体表面存在表面态的缘故施主表面态：释放电子呈正电性；受主表面态：接受电子呈负电性；表面态具有表面能级，距价带顶q0电子正好填满q0以下所有表面态时，表面电中性；q0以下所有表面态空着时，表面带正电，呈施主；q0以上表面态被电子填满时，表面带负电，呈受主；对n型半导体，EF高于q0，如果q0以上有受主表面态，则基本被电子填满，带负电。半导体表面出现正空间电荷区，形成电子的势垒。若EF比q0高一点，表面态积累很多负电荷，势垒高度qVD=Eg-q0-En称为被高表面态密度钉扎。N型半导体与金属接触时，流向金属的电子主要由表面态提供。若半导体表面无表面态Ws=+En若存在表面态，既使不与金属接触，也形成势垒，Ws=+qVD+En表面态浓度很高时Ws=+Eg-q0,与受主浓度无关。表面态浓度很高时，可放出足够多电子，半导体势垒区几乎不发生变化。使半导体表面的势垒高度几乎与金属功函数无关当半导体表面的密度很高时，可屏蔽金属接触的影响，使半导体内的势垒高度与金属的功函数无关，基本上由半导体表面的性质决定。紧密接触时，接触电势差一部分降落在半导体表面以内，金属功函数对表面势垒产生的影响程度不大。不难理解，当WMWS时，也可形成N型阻挡层。7.2金属半导体接触的整流理论-阻挡层的整流理论金半接触动态平衡时，具有统一费米能级，无净电流流过。外加偏压V下,电压主要降落在高阻的阻挡层，无统一费米能级有净电流流过电子势垒高度为-q[(Vs)0+V],势垒高度为-q(Vs)0(Vs)0为半导体表面和内部的电势差N型阻挡层，(Vs)00,因此，加正向偏压(V0)，势垒高度降为-q[(Vs)0+V],从半导体流到金属电子〉从金属流到半导体的电子,形成正向电流。V越大，正向电流也越大。加反向偏压(V0)，（(Vs)0与V）同号，势垒高度升为-q[(Vs)0+V],从半导体流到金属电子从金属流到半导体的电子，形成反向电流。由于金属中只有少部分电子越过高势垒到半导体，反向电流很小。P型半导体阻挡层由于(Vs)00,正向电压和反向电压极性正好与n型阻挡层相反。V0形成从半导体流到金属的正向电流；V0形成从金属流到半导体的反向电流正向电流均有多数载流子由半导体流到金属。7.2.1扩散理论N型半导体设势垒宽度xdln;厚阻挡层，电子多次碰撞后通过电子具有扩散和漂移运动)(0)0(022xxxxqNdxVdddrD半导体内电场为零，E(xd)=0选金属费米能级Efm/(-q)为电势零点V(0)=-nsdxdVxE)()()(0drDdxxqNdxdVxEnsdrDxxxqNxV)21()(20V(xd)=-(ns+V)而ns=n+VD2/100])(2[DsrdqNVVx2/10000])(2[DsrdVdqNVxxXd是V的函数，当V与Vs0符号相同时，势垒升高，宽度(厚度)增加，厚度依赖于外加电压的势垒，称为肖特基势垒])()()([dxxdnDxExnqJnn])()()([0dxxdndxxdVTkxqnqDnX=xd时nsdrDdxqNxV202)()exp()(00TkqNnxnncd)exp()0(000TkqVnnsX=0时，V(0)=-nsnnDTkq0在x=0处，半导体与金属直接接触，电子仍旧和金属处于平衡态。nsdrDxxxqNxV)21()(20)1exp(0TkqVJJsD)exp()](2[00TkqVVVqNJDrDsDV0,qVk0T)exp(0TkqVJJsDV0,qVk0TsDJJJsD随电压而变化，并不饱和。对氧化亚铜，载流子迁移率小，平均自由程短，扩散理论适用。7.2.2热电子学发射理论当n型阻挡层很薄，使电子平均自由程xd时，电子在势垒区的碰撞可忽略。当半导体中电子能量E势垒高度，可越过势垒进入金属。同时。金属中电子也可以进入半导体。通过阻挡层的电流与越过势垒的电子数目有关，称为热电子发射理论。N型半导体为例，势垒高度为-q(Vs)0k0T,半导体内单位体积中能量在E~E+dE区间内的电子数为：由于2*21ncmEEdmdEn*dTkmTkmndnnn)2*exp()2*(40222/300dEzyxzyxnndddTkmTkmndN)2)(*exp()2*(02222/300单位体积中，速率在x~(x+dx)、y~(y+dy)、z~(z+dz)区间内,单位截面积、单位时间到达金-半界面的电子数为:越过势垒，需要的最小能量为])[(2102*VVqmsxn最小速度为2/1*00])(2[nsxmVVq从半导体到金属形成的电流密度为(规定正方向为金属到半导体)dNqJmsxzyxnzyndTkmddTkmqnx)2)(*exp()2*(002222/300)exp()exp(002*TkqVTkqTAns)4(320**hkqmAnA*称为有效理查逊常数，热电子向真空中发射A*=120A/(cm2K)越过阻挡层总的电流密度为)exp()exp(002*TkqVTkqTAnsmsJ由于从金属到半导体的势垒高度不随外加电压变化，从金属到半导体的电子流Jms为一常数。应与热平衡下(V=0)时的Jsm相等。0VmssmJJ)exp(02*TkqTAnsmssmJJJ]1))[exp(exp(002*TkqVTkqTAns]1)[exp(0TkqVJsT)exp(02*TkqTAJnssT]1)[exp(0TkqVJJsT热电子发射理论与扩散理论的电流密度在形式上相同；区别：JsT与外加偏压无关，但更依赖于温度。Ge,Si,GaAs等具有较高的电子迁移率，平均自由程大，热电子发射理论与比较符合。7.2.3镜像力和隧道效应的影响在金半接触中，实际测量的电流大于理论值。这与镜像力和隧道效应密切相关。1.镜像力在金属-真空系统中，金属外面的电子在金属表面感应出正电荷，又称为镜像电荷。正-负电荷间互相吸引的库仑力，又称为镜像力在镜像力引起势垒降低，反向电压较高时，势垒降低越明显，镜像力的影响才显得更重要。2.隧道效应能量低于势垒顶的电子有一定概率穿过势垒，称为隧道效应。穿过的概率与电子能量和势垒厚度有关。设临界势垒厚度为xc,当xdxc时，不能随穿；当xdxc时，对电子完全透明；电子可直接穿过，相当于势垒高度降低。反向电压较高时，势垒降低较明显。镜像力和隧道效应对反向特性影响显著，势垒高度降低，反向电流增加。7.2.4肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管：利用金-半整流接触特性制成的二极管。与pn结二极管相似的电流-电压特性，即单向导电性。区别之处：1.pn结二极管在正向偏压下注入的少数载流子具有电荷存储效应，严重地影响了其高频特性。肖特基势垒二极管正向电流是多子流入金属形成，多子器件。无电子的积累现象，具有更好的高频特性。2.对于相同的势垒高度，肖特基势垒二极管有的JsD或JsT比Js大得多。肖特基势垒二极管正向导通电亚较低，约0.3V左右3.肖特基势垒二极管的应用应用于高速集成电路、微波技术中，如SiTTL电路，雪崩二极管，肖特基势垒栅场效应晶体管等。7.3少数载流子的注入和欧姆接触实际中，少数载流子的影响也比较显著。对n阻挡层，体内电子为n0,界面处电子浓度电子的阻挡层就是空穴的积累层。在势垒区，空穴的浓度在表面最大，体内浓度为p0)exp()0(00TkqVnn)exp()0(00TkqVpp加正向电压，势垒降低，空穴扩散作用占优势，形成自外向内的空穴流。与电子电流方向一致。)exp()0(00TkqVpp因此，总电流中一部分为空穴流的贡献。空穴流的大小，取决于势垒高度。随势垒的高度增加而增加。7.3.2欧姆接触欧姆接触：金属和半导体的非整流接触。理想欧姆接触的接触电阻与半导体样品或器件相比很小。电流流过时，接触上的电压降远小于样品或器件本身的电压降。即接触不影响器件的电流-电压特性。欧姆接触的应用：半导体器件一般都要利用金属电极输入-输出电流，要求具有良好的接触。在超高频和大功率器件中，欧姆接触是设计、制造的关键问题。欧姆接触的实现:(不考虑表面态的影响)1.形成反阻挡层：反阻挡层没有整流作用；2.选择合适的金属材料若WmWs，金属-N型半导体形成反阻挡层；若WmWs，金属-P型半导体形成反阻挡层；Ge、Si、GaAs型是重要的半导体材料，一般有很高的表面态密度。无论p、n型半导体与金属都形成势垒，与金属功函数无关。因此，选择金属材料不能获得欧姆接触。实际中，主要利用隧道效应原理实现欧姆接触重掺杂的pn结有显著隧道效应金属与重掺杂的半导体接触时，势垒区宽度很薄，电子通过隧道效应产生隧道电流。当隧道电流扩散电流，占主导地位时，接触电阻很小，可用作欧姆接触-理想的欧姆接触。接触电阻10)(VcVIR隧道电流占主导地位时，选Ec为势能零点nsdrDxxxqNxV)21()(20200)()(dxqNxVrD电子的势垒为2002)()(dxNqxqVrD)]()(4exp