07-金属和半导体的接触

第六章金属和半导体的接触Metal-SemiconductorContact§6.1金属-半导体接触和能带图§6.2金-半接触整流理论§6.3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：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。一、金属和半导体的功函数Wm、Ws1、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)mWm0()mFmWEE即：E0为真空中电子的能量，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§6.1金属-半导体接触和能带图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即：用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)sEvE0χWsEn①N型半导体：scFnsWEEE式中：()ncFsEEE②P型半导体：()pFsvEEE()soFsgpWEEEE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。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）msWW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n半导体E0xWsEFsEcEnWmEFmEv金属半导体接触前后能带图的变化：WmEFmWsE0EcEFsEv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。smmsmsWWVVVq‘接触电势差：E0xWsEFsEcEnWmEFmEv-qVms------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：DsmsqVqVWW金属一边的势垒高度为：mnDnsnmsnmqqVEqVEWWEW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＜0nsq金属一边的势垒高度为：mnDnsnmsnmqqVEqVEWWEWnsqVsmqEFEvqVDEc内建EnsqχWmmqEFEvqVDEc内建EnsqχWm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（Schottkybarrier)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。EcEFEnqVdnsqEv金属和p型半导体WmWs空穴阻挡层EFmEFsWsWmEvEcE0电场EEcEFEvxdqVd接触后空穴向下能量增加，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。（2）金属－p型半导体接触的阻挡层势垒高度（3）金属－半导体接触的阻挡层阻挡层，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。金属与N型半导体，WmWs金属与P型半导体,WmWs阻挡层2.反阻挡层接触金属与N型半导体接触时，若WmWs,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。（1）金属与N型半导体接触WmEFmWsE0EcEFsEvEEcEFsEvmsDWWqVDx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。（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WmWsEFsEFmEvEcE0接触后：xdEcEFEvE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。N型P型WmWs阻挡层反阻挡层WmWs反阻挡层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很小。能带向上弯曲能带向下弯曲（高阻区）（高电导区）（高阻区）（高电导区）金属与n半导体的接触WmWsWmWsE0WsEFsEcEnWmEFmEvE0qVDEFsEcEnWmEFmEvqnsEE0qVDEFsEcEnWmEFmEv-WmWs-WmEE0WsEFsEcEnWmEFmEvE0WsEFsEcEnWmEFmEv1、施主浓度ND=1017cm-3的n-GaAs，室温下功函数是多少？它分别和Al,Au接触时形成阻挡层还是反阻挡层？GaAs的电子亲和能4.07eV,WAl=4.25eV,WAu=4.80eV解：室温下杂质全电离，则：解得En=0.04eV故Ws=4.07+0.04=4.11eVWAu和WAl均大于Ws，所以形成阻挡层例：17010)exp()exp(DncFccNkTENkTEENn1016金属到半导体边的势垒高度：mnsmndnsWEWWEqVqeVqAlns18.0,eVqAuns73.0,实测值大很多：eVqAlns80.0,eVqAuns95.0,对于同一种半导体材料，亲和能将保持不变，与不同的金属形成接触：金属一边的势垒：势垒高度应该随金属的不同而变化。但实验结果表明不同金属与半导体接触势垒相差很小。问题：原因：半导体表面态对接触势垒的影响msmqWnsq表面态：局域在表面附近的新电子态,它的存在导致表面能级的产生。表面能级：与表面态相应的能级称为表面能级。理想晶体自由表面－达姆表面能级(1932年)~1015/cm2晶体表面缺陷或吸附原子－附加表面能级三、表面态对接触势垒的影响半导体表面态金半接触势垒施主型：能级被电子占据时呈电中性，施放电子后呈正电受主型：能级空时为电中性，而接受电子后带负电表面态一般分施主型和受主型：表面态分布示意图EFS电子刚好填满EFS=qΦ0以下的所有表面态时，表面呈电中性EFS=EcEFEnEvqΦ0qΦ0以下为空，表面带正电—施主型qΦ0以上填充，表面带负电—受主型qΦ0约为禁带宽度的三分之一设一个n型半导体的表面存在表面态。半导体的费米能级EF高于表面能级EFS，如果EFS以上存在受主表面态，则会导致如下效应：在EF和EFS之间的能级基本被电子填满，表面带负电，而表面附近会出现正电荷，形成正的空间电荷区，形成电子势垒。金属半导体接触前：EFSEcEFEnqVdnsqEvE+++WsWs=+En能带弯曲量qVD=EF-EFS表面态密度很大时，表面积累很多负电荷，能带向上弯曲程度越大，表面处EF接近EFS存在表面态时，Ws由表面性质决定不存在表面态时，nDsEqVWFSgnFSFEEEEEEFSEcEFEnqVdnsqEvE+++Ws高表面态密度钉扎(pinned)金属与半导体接触后，WmWs表面态提供电子流向金属半导体表面态密度很高时:表面态可放出足够多的电子，几乎不影响势垒区，可以屏蔽金属接触的影响，半导体内部的势垒高度和金属的功函数几乎无关，基本上由半导体表面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+++--§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WmWsqΦnsWm-Ws=qVdWm-Ws=qVd金半接触系统的阻挡层没有净电流0mssmJJJ净电流：不外加电压，处于平衡：Jm→sJs→mqΦnsWm-Ws=qVdWm-Ws=qVdqVd=-q(Vs)0半导体边势垒：qΦns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qΦnsq(Vd-V)q(Vd+V)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：q(Vd+V）=-q[(Vs)0-V]外加电压时：金属边的势垒不随外加电压变化①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mssmJJ从金属流向半导体的正向电流变大随电压增加而变得越大外加电压时：q(Vd-V）=-q[(Vs)0+V]金属边的势垒不随外加电压变化半导体边势垒：q(Vd-V)②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smmJJs金属到半导体的势垒高，反向电流小，且与外加电压无关，随电压增加而饱和q(Vd+V）=-q[(Vs)0-V]半导体边势垒：nsqq(Vd+V)不论电子阻挡层，还是空穴阻挡层，正向电流都是多数载流子从半导体流向金属肖特基结的整流特性1expkTqVJJo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xdln时，电子通过势垒区将发生多次碰撞－厚阻挡层。扩散理论适用于厚阻挡层。（1）扩散理论DiffusionTheory简化模型(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xd：耗尽层的宽度ND：是施主掺杂浓度①电势在半导体中的分布EF0xdxVmetalsemiconductorSpacechargeregionqFnsEnqFnqVsqVD耗尽层1xx0xx0qNddD则电荷密度分布：2022rdxVd代入泊松方程30qN0D22rdxVd即边界条件：半导体内部电场为零以金属费米能级处为电势零点(-EFm/q)0)(dxxddxdVxEnsV)0()()(0drDxxqNdxdVxEnsdrDxxxqNxV)21()(20积分得：1xx0xx0qNddD积分得：电场分布电势分布外加电压V在金属上:()()7dnVxV8nsnDVdnsDVxVV2012DDdrqNVVxdxx在时0VEFnsqFDqVxdnnqEdnsDVxVV2012DDdrqNVVx故D00qN2VVxsrd所以0sDVV又当表面势外加电压V和表面势同号时，势垒高度提高、势垒宽度变大。由此可见,xd随外加电压的变化而变化势垒宽度xd：②通过势垒的电流密度：漂移电流扩散电流电流密度：0nnqDkTdxdVxE)(代入：100dxxdndxxdVTkxqnqDnJdxxdnDxExnqJnn因此)(xE