7.金属和半导体的接触

外加电压对n型阻挡层的影响 (a)V=0；(b)V>0；(c) V<0
(Wm>Ws)，(Vs)0<0（表面势）
(a) 平衡时，净电流为零 (b) 半导体势垒由qVD=－q(Vs)0降低为－q[(Vs)0+V]，形成正向电流 (c) 金属势垒高（恒定），电流很小，随V的增加达到饱和，形成反向电流
金属和n型半导体接触能带图 金属和n型半导体接触反阻挡层
p-n结电流电压方程（利用连续性方程）
J Jsexpkq0TV1
肖克莱方程式
正向：J

Js
exp
qV k0T

(k0T/q)≈0.026V
exp

qV k0T
1
反向：J Js 反向饱和
Js
qnpL0D n n

pn0Dp Lp
势垒或势阱高度与 EF,(EFs )有关
半导体表面态密度足够高，平衡时半导体费米能级被锁定在
(
E
s F
)
巴丁模型
半导体表面处的禁带中 表面态 表面能级 施主和受主型表面态 一般 而言
表面态在表面禁带中形成一定的分布，存 在距离价带顶为qΦ0的能级，电子正好填 满qΦ0 以下的所有表面态时表面呈电中性
p型阻挡层：
金属接负，半导体接正时形成从半导体到金属的空穴流（正向电流） 金属接正、半导体接负时形成反向电流
与p-n结区别，正向永远是p正、n负，电流从p流向n区 金属与半导体接触，正向的判定要看是哪种阻挡层 且正向电流都是相应于多子由半导体到金属的运动所形成的电流
(a)p型阻挡层（Wm<Ws）
小结： （1）金属与n型半导体接触
Wm>Ws，电子由半导体进入金属，在半导体表面形成电子势垒 （阻挡层）
Ws>Wm，电子由金属进入半导体，Vs>0，能带下降，表面是电子势阱， 形成电导层（反阻挡层）
金属和n型半导体接触能带图（Wm<Ws）
（2）金属与p型半导体接触
Wm>Ws ，能带上升，空穴势阱，半导体表面是高电导压，为p型反阻挡层 Wm<Ws ，能带下降，形成空穴势垒，为p型阻挡层
与金属功函数关系不大
获得欧姆接触
如何解决？
采用重掺杂
利用隧道效应
欧姆接触
实际：Al，Ag-Zn，考虑到BaTiO3的特殊性 表面处理以后耐冲击性能提高
J JsTexpkq0TV1 J JsDexpkq0TV1
JsTA*T2expqk0Tns
JsD 2qr0N DVDV1/2expq k0T D V
与p-n结有别
与温度有关 与V有关
D 正负电荷密度增加 空间电荷区形成（why），表面势，能带弯曲
(c)接触电 VmsW 势 s qW 差 mVs
D 与原子间距相比（理想） (d)接触电势 Vm差 很 s 小
qD V qs V W m W s(半)导体
qn sqD V E n qs V E n W m W s E n W m
金属半导体接触伏安特性
理想p-n结的J-V 曲线
特点： ①肖特基势垒二极管（SBD）是多子器件，不发生
电荷存储现象，可 应用于高频。 ②相同势垒高度下，SBD的JsD（或JsT）比p-n结的
Js 大 得 多 ， 具 有 较 低 的 正 向 导 通 电 压 （ 0.3V 左 右），作为高速TTL电路的箝位晶体管。
(b)p型反阻挡层（Wm>Ws）
金属和p型半导体接触能带图
理论推导，金属－半导体整流接触的伏安特性与p-n结相似
空间电荷层厚度 碰撞几率
势垒宽度比载流子自由程小得多，无碰撞、越过势垒 势垒高度起决定作用 Bethe热电子发射理论（阻挡层很薄）
势垒宽度比载流子自由程大得多，多次碰撞，势垒形状重要
Schottky扩散理论（阻挡层厚）
Ws=χ+[Ec-(EF)s] =χ+En
En=Ec-(EF)s
2.接触电势差（肖特基模型）
半导体电势提高
金属电势降低
肖特基势垒高度
金属和n型半导体接触能带图（Wm>Ws） （a）接触前；（b）间隙很大； （c）紧密接触；（d）忽略间隙
金半间距D远大于原子间距时
平衡态，费米能级相等
(b)接触V m 电 sV m 势 V s' W 差 s qW m
金属接负半导体接正时形成从半导体到金属的空穴流正向电流金属接正半导体接负时形成反向电流与pn结区别正向永远是p正n负电流从p流向n区金属与半导体接触正向的判定要看是哪种阻挡层且正向电流都是相应于多子由半导体到金属的运动所形成的电流ap型阻挡层w金属和p型半导体接触能带图理论推导金属半导体整流接触的伏安特性与pn结相似空间电荷层厚度碰撞几率势垒宽度比载流子自由程小得多无碰撞越过势垒势垒高度起决定作用bethe热电子发射理论阻挡层很薄势垒宽度比载流子自由程大得多多次碰撞势垒形状重要sdexpstexp与温度有关与v有关与pn结有别schottky扩散理论阻挡层厚pn结电流电压方程利用连续性方程p区电子扩散长度p区电子扩散系数正向
7 金属和半导体的接触
本章内容提要
金半接触及其能级图 整流特性 少子注入和欧姆接触
相关研究： 博士论文：Ni电极 硕士论文：溅金属电极 毕业设计：无铅玻璃粉 新方向：耐特殊环境电极、SMD技术 商业：欧姆电极、表面电极（优乐公司等）
金属—半导体接触
整流接触：微波技术和高速集成电路 欧姆接触：电极制作
半导体器件重要部分
能级图
成为界面物理重要内容
整流特征 欧姆接触
7.1 金属半导体接触及其能级图
1.金属与半导体的功函数
功函数：金属中的电子从金属中逸出，需由外界供给它足够的能量， 这个能量的最低值被称为功函数。
E0为真空电子能级
金属中的电子势阱
半导体的功函数和电子亲和能
金属功函数 半导体功函数 电子亲和能 Wm=E0-(EF)m Ws=E0-(EF)s χ=E0-Ec
qD V qs V W m W s(半)导体
qn sqD V E n qs V E n W m W s E n W m
理论上
金属一边的势垒高度应随金属功函数而变化
实际中
金属功函数相差很大，而势垒高度相差很小
金属与半导体接触是不同物质之间的紧密接触
界面 半导体固有表面态
qΦ0以下空时：表面带正电，施主型 qΦ0以上被电子填充时：什么状态！！
思考：
n型半导体存在表面态，半导体的费米能级EF高于qΦ0 平衡时的能带图形如何？ 若存在受主表面态：表面带负电（电子填满）
半导体表面附近：正的空间电荷区，电子势垒 表面态上的负电荷＝势垒区正电荷
存在受主表面态时n型半导体的能带图

V 0 , 当 q V k 0T 时， exp(
qV ) 0
k 0T
p区电子扩散长度 p区电子扩散系数
(1) p-n结具有单向导带性 (2) 温度对电流密度的影响很大
Dn、Ln、np0
理想p-n结的J-V 曲线
较高迁移率，较大的平均自由程（Ge、Si、GaAs），电流输运机构以多子热发射为主 迁移率较小，平均自由程较短（Cu2O），电流输运机构以扩散为主
不存在表面态时 Ws En
几乎与施主浓度无关
Ws Egq0
表面态密度很大
W sqD V En
存在受主表面态时n型半导体的能带图
Ws ?
表面态密度很大
只要 EF比q0高一点
就会积累很多负电荷
能带上弯
存在高表面态密度时
表面处EF很接近qΦ0
qD VEgq0En
势垒高度被高表面态密度钉扎（Pinned）
共同形成正向电流
电子、空穴扩散占优，如何运动的
部分正向电流是由少数载流子空穴提供的（如何说明？）
n(0) n0 expqk0VTD
与体内浓度差 电子由内部向接触面扩散
平衡时被势垒电场抵消
（为什么？）
加正向电压 势垒降低
扩散占优，电子向表面流动，形成正向电流
p(0) p0expqk0VTD
7.3 少数载流子的注入和欧姆接触
正向电压，空穴积累
1.少数载流子的注入（n型阻挡层） 少数载流子的积累
平衡界面处的载流子浓度：
n(0)

n0
exp


qV D k 0T

p(0)

p0
exp

qV D k 0T

平衡时浓度差被势垒中的电场抵消
正向电压（金属为正），势垒降低
少数载流子注入
（接触球面半径有关，用探针接触可以得到高效率的注入）
2.欧姆接触（超高频和大功率）
欧姆接触：接触电阻很小，具有线性的和对称的电流-电压关系
Wm<Ws ：金属和n型半导体接触形成反阻挡层 Wm>Ws： 金属和p型半导体接触形成反阻挡层
﹖ 欧姆接触
形成势垒
高表面态密度
不能用选择金属的方法
金属费米能级
半导体的费米能级
表面受主态密度很高的n型半导体与金属接触能带图（Wm>Ws） （a）接触前；（b）紧密接触；（c）极限情形
空间电荷区正电荷为表面受主态留
通过表面态发生作用
下的负电荷与金属表面负电荷之和
区
别
金属和n型半导体接触能带图（Wm>Ws） （a）接触前；（b）间隙很大； （c）紧密接触；（d）忽略间隙
(Wm<Ws)
(Wm>Ws)
金属和p型半导体接触能带图
优缺点： ① 很好地解释离子性半导体与金属接触时所形成的势垒的物理本质；
② 不能解释不同金属（Wm不一样）与同一种半导体接触（χ一定）时 Φm与Wm的差别；
③ 肖特基模型不是形成势垒的唯一机理。
3.表面态对接触势垒的影响（巴丁模型） 问题的提出： 不同金属与同一半导体接触
固体电子学基础 II
姜胜林
华中科技大学电子系教授，博士生导师 西七楼309室，Tel: 87542693 Email: 2019年
40学时
1 半导体中的电子状态 2 半导体中载流子的统计分布 3 载流子输运 4 非平衡载流子 5 p－n结 6 半导体表面与MIS结构 7 金属和半导体的接触 8 异质结 9 半导体的热电性质
与体内浓度差 空穴由表面向内部扩散
平衡时被势垒电场抵消
（为形成正向电流
空穴电流
空穴浓度（阻挡层）：p(0)可以等于n0，空穴势垒 顶在阻挡层的内边界
扩散效率（半导体内）：积累的空穴对空穴流的阻碍
施加正向电压
空穴从金属流向半导体内 不立即复合
阻挡层内界积累 扩散进入内部
说明：半导体的表面态密度很高时，可以屏蔽金属接触 的影响，使得半导体内的势垒高度和金属的功函数几乎 无关，而基本上由半导体的表面性质决定，接触电势差 全部降落在两个表面之间。
问题： 为什么说当金属的功函数小于半导体的功函数时 （Wm<Ws），也可以形成n型阻挡层？
表面态对功函数和接触势垒的影响
7.2 金属半导体接触整流特性（n型阻挡层）