第八章 金属半导体接触和异质结
8.异质结
异质结
1.突变反型异质结能带图（不考虑界面态）
导带底突变：ΔEc = χ1 − χ 2 价带顶突变：ΔE v = ( E g 2 − E g1 )－（χ1－χ 2） ΔEc + ΔEv = E g 2 − E g1
异质结 EF不一致 载流子相对运动 介电常数不同 形成空间电荷区 内建电场在交 界面处不连续 D1 D2 能带弯曲， 不连续
模 型
发射－复合模型：热发射的电子和空穴通过界面态进行复合 隧道模型：隧道效应 隧道－复合模型：考虑了复合作用
2.突变同型异质结的电流输运结构
① 表面能级密度在1013cm-2以下，有扩散模型、发射模型、隧道模型， 其结果与反型异质结类似。 ② 表面能级密度在1013cm-2以上，提出双肖特基二极管模型。
8
异质结
本章内容提要 异质结及其能带图 异质结的电流输运机构 异质结在器件中的应用 半导体超晶格
8.1 异质结及其能带图
同质结：由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的结。 （如第5章讨论的p-n结）
异质结：由两种不同的半导体单晶材料组成的结。 反型异质结： 导电类型相反的两种不同的半导体 单晶材料所形成（如n-pGe-GaAs） 同型异质结： 导电类型相同的两种不同的半导体 单晶材料所形成（如n-nGe-Si）
qVD = qV + qV
2.突变同型异质结能带图（不考虑界面态） 不考虑两种半导体交界面处的界面态的情况下，任何 异质结的能带图都取决于形成异质结的两种半导体的 电子亲和能、禁带宽度以及功函数。
n-n
电子流动
电子耗尽层：禁带宽度大的一边
（与反型异质结不同）
费米能级不一致
电子积累层：禁带宽度小的一边
2.双异质结激光器
半导体物理与器件基础知识
一、肖特基势垒二极管欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。
接触电阻很低。
金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。
之间形成势垒为肖特基势垒。
在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。
影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。
金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。
附图：电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。
附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。
肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较：1.反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。
2.开关特性肖特基二极管更好。
应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。
从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。
二、金属-半导体的欧姆接触附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图三、异质结：两种不同的半导体形成一个结小结：1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。
2.肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，因此达到相同电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。
10双极型晶体管双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个Pn结，两个结很近所以之间可以互相作用。
之所以成为双极型晶体管，是应为这种器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。
一、工作原理附npn型和pnp型的结构图发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低附常规npn截面图造成实际结构复杂的原因是：1.各端点引线要做在表面上，为了降低半导体的电阻，必须要有重掺杂的N+型掩埋层。
金属和半导体的接触
A*T 2 exp( qns )
kT
有效理查逊常数
A*
4qmn*k 2
h3
热电子向真空发射的有效理查逊常数
A 120 A /(cm2 K 2 )
由上式得到总电流密度为：
J JSm Jms
A*T
2
exp(
qns
)exp(
qV
)
1
k T k T
JsT exp(qkVT ) 1
阻挡层具有整流作用
1. 厚阻挡层的扩散理论
厚阻挡层 对n型阻挡层，当势垒的宽度比电子的
平均自由程大得多时，电子通过势垒区要发 生多次碰撞。
须同时考虑漂移和扩散
00
xd
x
当势垒高度远大于 kT 时，势 qns 垒区可近似为一个耗尽层。
EF
qVs qVD
0
En=qn
V
耗尽层中，载流子极少，杂质全电 离，空间电荷完全由电离杂质的电荷形成。
表面受主态密度很高的n型半导体与金属接触能带图 (省略表面态能级）
金和半接触时, 当半导体的表面态密度很高时
电子从半导体流向金属 这些电子由受主表面态提供 平衡时，费米能级达同一水平
空间电荷区的正电荷
＝表面受主态上的负电荷
＋金属表面负电荷
Wm
(EF )s (EF )m
Wm-Ws
qVD
EC (EF)s
电子填满q0 以下所有表面态时，表面电中性 q0 以下的表面态空着时，表面带正电，
呈现施主型
q0 以上的表面态被电子填充时，表面带负电，
呈现受主型
Ws
qns
q0
qVD EC EF
EV
存在受主表面态时 n 型半导体的能带图
金半接触与异质结
半导体器件物理
重掺杂
半导体器件物理
异质结
半导体器件物理
不同的半导体材料构成的界面
一、异质结及其能带
1、分类 p-n Ge-GaAs p-n Ge-Si 导 电 类 型 反型异质结 变 化 快 慢 突变型 缓变型
不同材料间的过渡发生 于几个原子的距离内
同型异质结
n-n Ge-Si n-n Ge-GaAs
• 半导体表面耗尽层电荷密度QSC
QSC 2q S N DVbi 2q S N D ( Bn Vn )
• 界面层电势降落
QM
i
m ( Bn )
半导体器件物理
• 势垒高度的一般表达式
Bn
S C1 ( m ) (1 C1 )( 0 ) C1C 2 q i
EF 0.2 0.4 0.6 0.8 1
耗尽层厚度 xd
Energy (eV)
-0.4 -0.2 -0.2 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.4 -0.2 -0.2
Ec
m Distance (µm)
势垒变薄 隧穿加剧
EF 0.2 0.6 m Distance (µm) 0.4 0.8 1
Ec
qV
EF Ec
场致发射
重掺杂，简并
Ev
半导体器件物理
. 3 5
. 3 0
1 e + 5
Jtunelig (A/M 2)
隧穿势垒
. 2 5
1 e + 4
Jtunelig /J TE
. 2 0
. 1 5
1 e + 3 2 . 0 e + 8 4 . 0 e + 8 6 . 0 e + 8 8 . 0 e + 8 1 . 0 e + 9 S q r t ( N d )
《金属半导体接触》课件
电子传输机制
在金属和半导体的接触中，电子的传输机制主要有隧道效应和热电子发射两种。
隧道效应是指电子通过金属-半导体接触势垒的能力，即使在没有明显的能量间隙的 情况下，电子也可能通过量子力学隧道效应穿越势垒。
溶胶凝胶法具有操作简单、成本低廉等优点，适用于制备大面积、均匀的金属半导体接触。
04
金属半导体接触的应用
电子器件
晶体管
金属半导体接触在晶体管中起着 关键作用，通过控制金属与半导 体的接触状态，可以实现电流的 放大或开关功能。
集成电路
集成电路中包含大量的晶体管和 其他电子元件，金属半导体接触 在这些元件中扮演着重要的角色 ，影响着整个集成电路的性能。
新特性
在新材料的推动下，金属半导体接触呈现出 新的特性，如高导电性、高热稳定性、高稳 定性等。这些新特性使得金属半导体接触在 电子、光电子、热电子等领域的应用更加广 泛和深入。
新技术与新方法
新技术
随着科研技术的不断创新，金属半导体接触 领域也涌现出许多新的技术和方法。例如， 利用先进的纳米制造技术，可以实现金属和 半导体的原子级精确控制和优化，进一步提 高金属半导体接触的性能。
02
特性：金属半导体的电子结构、 界面能带结构、电荷转移和空间 电荷区等特性。
金属半导体接触的重要性
在电子器件和集成电路中，金属半导 体接触是实现电子传输和收集的关键 部分，对器件性能具有重要影响。
在太阳能电池、传感器和光电器件等 领域，金属半导体接触对于能量转换 和信号处理具有重要意义。
金属半导体接触的分类
来新的发展机遇和挑战。
挑战
金属和半导体的接触
Wm > Ws 电子由半导体进入金属，半导体表面处能带上弯，Vs<0， 表面是空穴势阱，空穴积累，高电导层，p型反阻挡层
Wm < Ws 电子由金属进入半导体，半导体表面处能带下弯，Vs>0， 形成空穴势垒，空穴耗尽层，p型阻挡层
电子势垒，耗尽层 高电阻，阻挡层
电子势阱，积累层 高电导，反阻挡层
空间电荷减少，势垒高度下降
（金属表面势垒高度基本不变）
金属
半导体
IF正向电流
qφns
q(VD -V)
qV
EF
半导体势垒由qVD降低为q[VD-V]，破坏了原来的 平衡，半导体到金属的电子流占优势（多子） 形成从金属到半导体的正向电流（多子电流） 外加电压V 越大，势垒高度降低越多，正向电流 越大
n型阻挡层（Wm > Ws，Vs < 0）
（金属表面势垒高度基本不变）
很小 金属势垒高度基本不随外加电压改变（反向 饱和电流）
金属
半导体
IR反向电流
qφns
-qV
q(VD -V)
EF
p型阻挡层（Wm < Ws，Vs > 0）
可作类似讨论
NOTE:
由于Vs > 0，正向电压、反向电压极性与n型阻挡层时相反
即：p型阻挡层
金属接负，半导体接正
-
1940s～：随着p-n结二极管的出现，金-半接触在器件方面的应用地位降低
1960s：平面工艺制作出金-半二极管(肖特基二极管)
<近乎理想的伏安特性，噪声低，频率特性好>
随后，应用领域的快速发展推动了金-半接触理论的进一步发展
5
金属—半导体接触
金半接触和半导体异质结.pptx
因
此
，
实
际
的
欧
姆
接
触
采
用
隧道效应 17 第18页/共29页
9.2欧姆接触
• 隧道效应
隧道电流：
１００埃左右
隧道电流随掺杂浓度的增大18而指数增大。
第19页/共29页
9.2欧姆接触
• 接触电阻值
Rc
J V
1
V 0
整流接触：
Rc
kT
/
e exp eBn
A*T 2
/
kT
欧姆接触(隧道效应)：
2 Rc exp
Ev Eg Ec
接触后， 电子从n—p； 空穴从p—n； N区存在正空间电荷区； P区存在负空间电荷区； 能带发生弯曲；
21
第22页/共29页
9.3异质结
• 接触后
Vbi Vbin Vbip
22
第23页/共29页
9.3异质结
• nN结热平衡时理想能带图（三角势阱）
GaAs
AlGaAs
二维电子气：电子堆积在异质结表面的势阱中，沿垂直于表面方
• 与pn结不同，主要靠多数载流子的 运动来决定电流的情况。
• 热电子发射理论： 势垒高度远大于kT时，电流的计
算可以归纳为计算超越势垒的载流 子数目。
7
第8页/关系
半导体内单位体积中能量在E~E+dE范围内的电子数为：
4
dn gc E fF E dE
9.1肖特基势垒二极管
肖特基势垒：
内建电势差：
1
第2页/共29页
9.1肖特基势垒二极管 正反偏
突变结 近似
2
第3页/共29页
9.1肖特基势垒二极管
2012-半导体物理-8-异质结-2014-05-28解析
突变异质结：从一种半导体材料向另一种半导体材料的过 渡发生在几个原子间距的范围内。
pn结的能带图 qVD E Fn E Fp
突变反型异质结的能带图
形成异质结时电子从n型半导体流向p型半导体，空穴的流动方向相反。 达到平衡时，两块半导体具有统一的费米能级。
在异质结界面的两边形成空间电荷区，产生内建电场和附加电势能，使空间电 荷区中的能带发生弯曲。
qVD = qVD1 + qVD2 = EF2 - EF1 = W1 - W2
Group B
1. 1 2. 2 3. 5
Group C
1. 1 2. 2 3. 5
半导体物理学
第7章 金属和半导体的接触子阱中二维电子气的形成及其电子能态
波函数满足的薛定谔方程： 波函数分离变量： 波函数分离变量：
面内波函数：
电子能量：
界面量子阱中二维电子气的势阱和状态密度
二维电子气的状态密度
电子的能量： k空间原胞的面积：
k空间k-k+dk圆环的面积： E-k关系： 状态密度：
低维半导体材料及其状态密度
半导体超晶格
• 由于迷你带的形成，超晶格的发光波长相对于量子阱的发光波长发生 一个红移。
• 在I型超晶格中，电子和空穴被束缚在同种材料中。 • 在II型超晶格中，电子和空穴被束缚在不同材料中。
半导体激光器
单异质结激光器
• 时间：1969年第一次制成。 • 方法：液相外延。 • 结构：在GaAs pn结上再生长一层p型AlGaAs. • 优点：阈值低，效率高。 • 阈值电流密度：10-15 103 A/cm2,小于同质结激光器。 • 原因：注入的电子和空穴被阻挡在p型GaAs中复合；激光也限制在其中。
第八章 金属半导体接触和异质结
第六章金属半导体接触和异质结习题
1. 画出由p型半导体和金属构成的肖特基势垒在施加正想和反向电压的能带图，分别标出
扩散流、漂移流、肖特基热电子电流的方向和相对大小。
2. 设金属与半导体是理想的肖特基接触，即肖特基模型适用。
在以下两种情形下：(a)金属
和半导体直接接触，(b)相距较远，通过一很细的导线连接。
试分析并用图示意指出，M/S接触形成的接触电势差在热平衡时的分布情形。
3. 试分析说明金属-n型半导体肖特基势垒在正向偏压下电子和空穴的准费米能级如何变
化？
4. 如果金属-n型半导体接触形成肖特基势垒，金属层很薄，可以透光。
在有光照时，肖特
基势垒如何变化？
5. 假设金属的功函数小于半导体的功函数φM<φS，讨论理想M/S接触的能带图和势垒特征；
讨论镜像电荷效应对界面势垒的影响；如果在M/S界面半导体Si禁带中距价带1/3E g 的位置存在无穷大的界面态密度，讨论M/S接触的能带图和势垒特征。
6. 假设金属的功函数小于半导体的功函数φM<φS，分别讨论在M/S界面半导体Si禁带中E t
能级处存在有限的施主和受主的界面态密度时，M/S接触的能带图和势垒特征。
假设在Si表面形成的表面势为φs，在耗尽近似下，求耗尽层厚度。
7. 试求出肖特基二极管的接触电阻表达式，并讨论和降低接触电阻、形成欧姆接触的有效
途径。
8. 试画出图的异质结能带图：
1）说明界面处各能量位置是如何确定的。
2）你如何可从图看出自建势的大小？
3）你如何看出自建势在n侧和p侧是如何分配的？
4）自建势在n侧和p侧的分配决定于什么？不同的分配对能带图的形状有何影响。
固态电子论2016-第八章
8.1.3 表面空间电荷层的电场、电荷和电容
k T 引入两个新参数： L rs 0 0 D 2 q p p0
1/ 2
——德拜长度
1 np0 qV n p 0 qV qV qV qV F( , ) {[exp( ) 1] [exp( ) 1]} 2 k0T p p 0 k0T k0T p p0 k0T k0T
8.4 表面电场对pn结特性的影响
8.5 异质结
2
8.1 MIS结构的表面电场效应
8.1.1 MIS结构模型
图8.1 MIS结构示意图及理想MIS的能带图
8.1.1 MIS结构模型
我们通过一个理想MIS结构来讨论在外加电场作 用下半导体表面层内发生的现象，并假设考虑的理想 的MIS结构满足以下条件： ⑴金属与半导体功函数相等； ⑵绝缘层内无电荷且绝缘层完全不导电； ⑶绝缘层与半导体交界面处不存在任何界面态。 在理想MIS结构两端外加电压为零时，整个结构 的费米能级保持水平，系统达到平衡状态，半导体表 面的能带是平的，称为平带状态。
ε VS>0
++++
图8.5 p型衬底MIS结构 的多子耗尽状态
----
8.1.2 MIS结构的空间电荷层及表面势
三、少数载流子的反型状态（反型层） VS>0 当半导体表面能带进一步向 ε 下弯曲使费米能级位置高于 禁带中线，意味着表面处出 现了一个与衬底导电类型相 反的一层，叫做反型层。反 型层发生在紧靠在半导体表 面处，从反型层到半导体内 部之间还夹着一个耗尽层。 此时，半导体表面负电荷由 两部分组成，一部分是耗尽 图8.6 p型衬底MIS结构 层中的电离受主，另一部分 的少子反型状态 是反型层中的电子，后者主 要堆积在近表面区。
ch2-2异质结-金属-半导体接触
二、异质结器件
异质结的制备： MOCVD, MBE。。 外延(epitaxy)工艺 同型和异型异质结 在具有晶格失配的两种材料之间形成异质结:
两种材料 失配度：
形成弛豫型结构 有位错
外延层 无位错，有应力 衬底晶格 常数 外延层晶 格常数
| ae a s | ae
(18)
一些元素半导体和二元化合物半导体的带隙与晶格常数关
间隙为零 0 qBn0达到极限 空间电荷区W qψbi半导体内 建势
金属-半导体接触的能带图
(25)
对n型半导体，势垒高度的 极限值为金属功函数和半导 体电子亲合势之差： 对P型半导体，势垒高度的 极限值:
q Bn q ( m )
q Bp E g q ( m )
q 16 o
q 4
o
cm
电场 势垒降低与 外加电场有 关。
o
2 xm
E 10 5 V / cm 0 . 12 V , x m 60 A 在高电场
(27)
半导体表面费米能级模型：半导体 = 表面层 + 体内 表面看作一薄层, 在禁带中具有能量连续分布的局域态，由 于表面处电荷的填充，有自己的平衡费米能级EFS0
EFS0
EF
若表面态密度，体内电子填充表面能级，且不显著改变 表面费米能级位置，体内EF下降与EFS平齐，造成能带弯 形成空间电荷区。 表面态密度很大时， EFS~EFS0， 费米能级定扎。
(35)
E
电场
无电场时，将金属中的电子移到真空，需要能量qm。 有外电场，以金属表面为电势能零点, 不考虑镜像力:真空中电 子的电势能，随着离开金属表面的距离增加，按照-q|E|x降低。 3. 若考虑到真空中电子在金属表面感生的正电荷，有镜像力和镜 像势能存在。（如图） 4. 结果，电子的能量由电场力和镜像力联合作用，使有效功函数 降低。 (36) 1. 2.
金属半导体异质结光热效应
金属半导体异质结光热效应
金属半导体异质结光热效应是指当金属半导体异质结受到光照时，由于光子的能量被吸收，导致异质结内部温度升高，从而引起电子和空穴的激发，产生电子-空穴对，进而产生电流。
这种效应是一种非常重要的光电转换效应，广泛应用于太阳能电池、光电探测器、光电开关等领域。
金属半导体异质结是由金属和半导体两种材料组成的结构。
在这种结构中，金属的导电性能很好，而半导体的导电性能较差。
当两种材料相接触时，由于它们的能带结构不同，会形成一个能带弯曲的区域，这就是异质结。
在异质结中，由于金属和半导体的电子浓度不同，会形成一个内建电场。
当光照射到异质结上时，光子的能量被吸收，会导致内建电场的强度发生变化，从而改变了异质结中的电子和空穴浓度分布。
当光照射到金属半导体异质结上时，光子的能量被吸收后会转化为热能，并使异质结内部温度升高。
当温度升高到一定程度时，会激发出一些电子和空穴，这些电子和空穴会在内建电场的作用下分别向异质结两端运动。
由于金属的导电性能很好，因此在异质结中形成了一个导电通道，使得电流得以产生。
金属半导体异质结光热效应是一种非常重要的光电转换效应。
在太阳能电池中，利用这种效应可以将太阳能转化为电能；在
光电探测器中，可以利用这种效应检测光信号；在光电开关中，可以利用这种效应控制电路的开关状态。
总之，金属半导体异质结光热效应是一种非常重要的光电转换效应，具有广泛的应用前景。
随着科学技术的不断进步，相信这种效应将会在更多领域得到应用，并为人类带来更多福祉。
如何形成欧姆接触_金半接触及异质结
如何形成欧姆接触_金半接触及异质结要理解欧姆接触、金半接触和异质结，首先需要了解几个基本概念和相关原理。
1. 欧姆接触（Ohmic Contact）欧姆接触是指两种材料之间形成的电接触，电流在接触面上能够以很低的接触电阻通过。
这意味着接触面上的电阻很小，电流能够自由地流动。
通常情况下，欧姆接触可以通过在两种材料之间加上足够高的压力来实现，从而确保良好的金属结晶和材料间的电阻足够小。
2. 金半接触（Schottky Contact）金半接触是指金属和半导体之间形成的电接触。
在金半接触中，金属被引入半导体材料中，形成了一个势垒。
这个势垒能够阻止电子往金属中移动，从而只有少数载流子能够通过接触面。
金半接触的形成可以通过将金属和半导体紧密接触，并在接触面上应用适当的压力。
此外，金半接触的形成还依赖于金属和半导体之间的电子亲和力差异。
3. 异质结（Heterojunction）异质结是指由不同半导体材料组成的结构，形成了两种具有不同带隙宽度的半导体之间的接触面。
在异质结中，由于带隙的差异，电子和空穴会在接触面上产生能量差异，从而促使电子和空穴在界面处发生二次击穿。
这种能量差异促进了电流的流动，并且异质结常用于电子器件中，如二极管、场效应晶体管等。
实现欧姆接触、金半接触和异质结的关键是确保接触面的良好导电性和匹配性。
下面将分别说明如何形成这三种结构。
1.形成欧姆接触的方法实现欧姆接触的关键是确保两种材料之间的良好接触和电性。
以下是一些常用的方法：-清洁接触面：对接触面进行彻底清洁，以确保表面没有杂质和氧化物。
这可以通过使用溶剂、超声波清洗和等离子体清洗等方法来实现。
-提高接触面积：增加接触面积可以降低接触电阻，可以通过增加接触面的厚度、使用粉末冶金技术和添加导电粉末等方法来实现。
-选择合适的金属：合理选择金属材料，以确保金属的导电性能和匹配性。
常用的金属包括铜、银、金等。
2.形成金半接触的方法实现金半接触的关键是在金属和半导体之间形成一个势垒。
chapt8金属半导体接触-清华大学半导体物理
金属-半导体接触半导体异质结•金属-半导体整流接触的I-V特性•欧姆接触•半导体异质结§8.1 金属-半导体接触形成： 平面（薄膜）型——蒸发、溅射、CVD等； 针尖接触型——例如钨针接触Si片。
类型： 肖特基接触——具有类似pn结的单向电导性；欧姆接触——线性I-V 特性，很低的电阻。
功函数电子亲和能真空能级E——金属体外真空中静止电子的能量。
金属功函数Wm ：Wm= E0 −E Fm例如WAl= 4.2∼4.3eV，W Au≈4.8eV。
半导体的电子亲和能χ：χ= E0−E C，例如χSi= 4.05eV半导体功函数WS ：WS= E0−E FS例如ND= 1014cm−3的n型Si，W S= 4.38eV；N D= 1016cm−3的n型Si，W S= 4.26eV等，见表8.1。
8.1.1金属-半导体接触势垒金属和n 型半导体接触，且W m >W s接触前（分立）的金属和半导体的能带图。
首先考虑理想情形，即半导体表面不存在表面态。
金属和半导体相互靠近形成金属-半导体接触。
χφ−=m m W q差。
结两边的电子要进入到对方，都要面对势垒。
（pn 结） 金属中的电子面对的势垒q ϕm （q ϕm 由材料决定）半导体中电子面对的势垒qV Dmss m D qV W W qV −=−=势垒区为高阻区(电子阻挡层)，该势垒称为肖特基势垒(8.1)(8.2)χφ−=m m W qm s半导体表面为电子积累，是电子势阱。
电子无论从金属到半导体还是从半导体到金属，都不需要越过势垒。
接触区为高电导区，称为电子反阻挡层（欧姆接触）空穴由半导体→金属（金属与半导体价带交换电子）。
金属表面荷正电，半导体荷负电。
能带下弯，势垒区为高阻区——空穴阻挡层；价带顶的空穴要越过qV D =W s −W m 的势垒到达金属 金属中的空穴（E Fm 处的空态）要越过q ϕm =χ+E g −W m 的势垒到达半导体。
《金属半导体接触》课件
蒸发法：通过加热金属或半导体材料使其蒸发，然后在真空中 沉积在半导体表面
溅射法：利用高能粒子轰击金属或半导体材料，使其溅射到半 导体表面
化学气相沉积法：通过化学反应将金属或半导体材料转化为气 体，然后在半导体表面沉积
离子注入法：将金属或半导体材料离子化，然后注入到半导体 表面
外延生长法：在半导体表面生长一层金属或半导体材料，形成 金属半导体接触层
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半导体：导电性能介于导体和绝缘 体之间的物质，如硅、锗等
金属和半导体接触时，会产生接触 电阻，影响器件性能
金属半导体接触：金属与半导体之间的接触 形成原因：金属与半导体之间的电荷转移 形成条件：金属与半导体之间的电势差 形成过程：金属与半导体之间的电子或空穴的转移
半导体器件的基础：金属半导体接触是半导体器件的基础，决定了器件的性能和稳定性。
材料性质：金属半导体接触的电导和热导还与材料的性质有关，如材料的导电性和热导 性等
光电导效应：金属半导体接触在光照下产生光电流 光生伏特效应：金属半导体接触在光照下产生光电压 光致电阻效应：金属半导体接触在光照下电阻发生变化 光致热效应：金属半导体接触在光照下产生热量，影响接触性能
金属半导体接触的 制备方法
离子注入技术：将离子注入半导体表面，形 成掺杂层
化学气相沉积技术：利用化学反应，在半导 体表面形成薄膜
物理气相沉积技术：利用物理方法，在半导 体表面形成薄膜
化学机械抛光技术：利用化学和机械作用， 对半导体表面进行抛光处理
金属半导体接触的 应用
半导体二极管： 金属半导体接 触作为二极管 的电极，实现 电流单向导通
金属半导体接触的 研究进展
石墨烯：具有优异的导电性 和热导率，可作为新型金属 半导体接触材料
2异质结-金属-半导体接触
形成结，平衡时：
费米能级在两侧一致； 1和2 在结处各形成耗尽区 =WD1+WD2 结处能带弯曲： 1中局部电子耗尽， 能带上弯 2中局部空穴耗尽， 能带下弯 总内建势为 q(ψ q( ψb1+ψb2)=EF1-EF2 形成结时，热平衡状态下理想 n-p异质结的能带图
(6)
真空能级在各处平行于带边；
外加偏压
1/ 2
各半导体中承受的相对电压满足 ：
b1 V1 N A2 2 b 2 V2 N D1 1
(8)
V V1 V2
当两半导体材料相同时，1= 2, 以上简化成同质p-n结的情况。
2. 理想n-n同型异质结（设宽带隙材料具有较小的功函数）
理想n-n同型异质结能带图
2.2 异质结
在两种不同的半导体材料之间形成的结--外延技术
形成异质结的两种材料通常有不同的能隙宽度Eg和介电常数 。 异质结界面
EC EC Ef EV EV
导电类型相同同型异质结 导电类型不同异型异质结
主要器件: 发光二级管 激光器 光电探测器 太阳电池
主要内容: 基本器件模型 (能带结构 能带结构和电输运 和电输运) 器件制备、特点、超晶格结构
半导体单位面积 半导体 单位面积的空间电荷 的空间电荷Q:
Q SC
kT qN DW 2q s N D bi V q
Q SC V q s N D s 2 bi V kT / q W
单位面积的耗尽层电容： 单位面积 的耗尽层电容：
(14)
5. 电流-电压特性和输运模型
-----以理想n-n同型异质结为例
导电机制多数载流子的热发射 （热电子发射 ）决定 电流密度 有效里查孙常数
第八章 半导体的其它接触
8.1 金属和半导体的接触
一、功函数
E0 金属内部的电子是在 一个势阱中运动。
Wm (EF)m
金属的功函数
Wm E0 ( EF )m
金属中的电子势阱
E0为真空中电子的能量，又称 为真空能级。
金属的功函数表示一个起始能量等于费米能 级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的 最小能量。表示束缚的强弱。约为几个eV。
qns A T exp kT
* 2
对氧化亚铜等半导体，载流子迁移率小，扩散理论是适用的。
五、金属-半导体欧姆接触
• 金属与半导体接触时还可以形成非整流接触，即欧姆 接触。 • 欧姆接触：不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导 体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。 • 从电学上讲，理想欧姆接触的接触电阻与半导体样品 或器件相比应当很小，当有电流流过时，欧姆接触上 的电压降应当远小于样品或器件本身的压降，这种接 触不影响器件的电流—电压特性。 • 欧姆接触的重要应用：制作电极，以输入或输出电流。
J sD
随电压变化，并 不饱和
四、伏安特性
热电子发射理论
• 当阻挡层宽度xd<<电子平均自由程时，电子在势 垒区的碰撞可以忽略，因此，这时势垒的形状并 不重要，起决定作用的是势垒高度。当电子的动 能超过势垒顶部时，电子可以自由越过势垒进入 另一边。这就是热电子发射理论。 • 以n型阻挡层为例。假设势垒高度q(VD-V)>>kT, 因此通过势垒的电子数所占份额很小。因此半导 体内的电子浓度视为常数。假设非简并。
]dv x dv y dvz
m dn n0 ( ) 2 exp[ 2 kT
' 3
* n
* 2 2 mn (vx v2 v y z)
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第六章金属半导体接触和异质结习题
1. 画出由p型半导体和金属构成的肖特基势垒在施加正想和反向电压的能带图，分别标出
扩散流、漂移流、肖特基热电子电流的方向和相对大小。
2. 设金属与半导体是理想的肖特基接触，即肖特基模型适用。
在以下两种情形下：(a)金属
和半导体直接接触，(b)相距较远，通过一很细的导线连接。
试分析并用图示意指出，M/S接触形成的接触电势差在热平衡时的分布情形。
3. 试分析说明金属-n型半导体肖特基势垒在正向偏压下电子和空穴的准费米能级如何变
化？
4. 如果金属-n型半导体接触形成肖特基势垒，金属层很薄，可以透光。
在有光照时，肖特
基势垒如何变化？
5. 假设金属的功函数小于半导体的功函数φM<φS，讨论理想M/S接触的能带图和势垒特征；
讨论镜像电荷效应对界面势垒的影响；如果在M/S界面半导体Si禁带中距价带1/3E g 的位置存在无穷大的界面态密度，讨论M/S接触的能带图和势垒特征。
6. 假设金属的功函数小于半导体的功函数φM<φS，分别讨论在M/S界面半导体Si禁带中E t
能级处存在有限的施主和受主的界面态密度时，M/S接触的能带图和势垒特征。
假设在Si表面形成的表面势为φs，在耗尽近似下，求耗尽层厚度。
7. 试求出肖特基二极管的接触电阻表达式，并讨论和降低接触电阻、形成欧姆接触的有效
途径。
8. 试画出图的异质结能带图：
1）说明界面处各能量位置是如何确定的。
2）你如何可从图看出自建势的大小？
3）你如何看出自建势在n侧和p侧是如何分配的？
4）自建势在n侧和p侧的分配决定于什么？不同的分配对能带图的形状有何影响。