半导体物理学第七章

金属功函数Z

关于功函数的几点说明: ① 对金属而言, 功函数Wm可看作是固定 的. 功函数Wm标志了电子在金属中被束 缚的程度. 对半导体而言, 功函数与掺杂有关 ② 功函数与表面有关. ③ 功函数是一个统计物理量

对半导体,电子亲和能χ 是固定的,功函 数与掺杂有关
图7-3

表7-1 半导体功函数与杂质浓度的关系 ♦ n型半导体: WS=χ+(EC-EF) ♦ p型半导体: WS=χ+[Eg-(EF-EV)]
制造半导体器件或研究半导体材料的性质；总要涉 及到金－半接触如： 1．器件内引线（集成电路各元件的互连线） 2．外引线 3．汞探针c-v测载流子浓度；四探针（钨丝）测电 阻率 金属－半导体接触类型： 17 3 N 5 10 / cm 1.半导体为轻掺杂（一般 ），金－ 半接触表现为单向导电（具有整流作用），这 种接触称为肖特基接触（schottky-contact） （整流接触） 应用：微波开关二极管；太阳能电池；整流器 （面积大,功率大，作开关型稳压源）；
②半导体一边的势垒高度: VD =∣Vms∣ ③表面势—半导体表面相对于体内的电势 Vs= Vms ④金属一边的势垒高度(肖特基势垒--SB): eΦSB = eΦns = Wm –χ ♦ 常常选择ΦSB为描述金属/半导体接触 势垒的基本物理量(ΦSB几乎与外加电压 无关)
能带
电荷分布
电场分布
M/S接触的电势分布和Poisson方程
★ 金属/半导体接触的几种情况

对M / n型半导体: ♦ Wm>Ws 能带上弯--电子势垒 空间电荷—电离施主 ♦ Wm<Ws 能带下弯--电子势阱 空间电荷—电子积累 势垒—阻挡层, 势阱—反阻挡层
Wm>Ws
电子势垒
Wm<Ws
电子势阱

对M / p型半导体: ♦ Wm>Ws 能带上弯--空穴势阱 空间电荷—空穴积累 ♦ Wm<Ws 能带下弯--空穴势垒 空间电荷—电离受主
图7-10
1938年，W. Schottky提出了基于整流二 极管的理论，称为肖特基二极管理论。 这一理论以金属和半导体功函数差为基 础。 要定量讨论I-V特性,必须讨论电子是怎样 越过势垒的. 两种近似模型: ♦扩散理论—势垒区较厚,制约正向电流的 主要是电子在空间电荷区的扩散过程 ♦热电子发射理论—载流子的迁移率较高, 电子能否通过势垒区,主要受制于势垒高 度.

★ 金属和半导体接触电势差
一种典型情况: 讨论M/n型半导体, Wm>Ws(阻挡层） ①接触电势差--为了补偿两者功函数之差, 金属与半导体之间产生电势差: Vms=(Ws –Wm)/e ♦当Wm>Ws , Vms<0 (金属一边低电势) （反阻挡层） ♦通常,可认为接触电势差全部降落于空 间电荷区.
M/S接触的形成

M/S结构通常是通过在干净的半导体表面 淀积金属而形成。利用金属硅化物 （Silicide）技术可以优化和减小接触电阻， 有助于形成低电阻欧姆接触。
★ 金属和半导体的功函数 功函数: W= EVAC-EF, ( EVAC --真空中静止电子的能量,亦记作E0 ) 功函数给出了固体中EF处的电子逃逸到真空所 需的最小能量.
1：整流接触（肖特基接触）

o
V
I ＝ V ／R
2：欧姆接触
§ 7.1金属半导体接触及其能级图
金属/半导体接触和肖特基势垒



M/S接触（Contact）为金属（M）与半导体（S）接触形 成的基本结构，通常形成肖特基势垒(Shottky Barrier)， 其中肖特基势垒是M/S肖特基接触的主要特征。在特定的 条件下M/S接触可形成欧姆（Ohmic）型接触。 影响肖特基势垒的因素有：金属和半导体的功函数、金 属感应的镜像电荷产生的镜像势、界面的陷阱态能级及 其密度等 欧姆接触，可为半导体器件之间的连接提供的低阻互连 肖特基二极管，可作为整流结（肖特基势垒）器件使用
Wm<Ws
空穴势垒
Wm>Ws
空穴势阱
§ 2金属半导体接触整流理论 （肖特基二极管的偏置及其IV特性）
★ I-V特性的定性图象 ①定性图象--阻挡层的整流作用: (仍讨论M/n-S 形成电子势垒) M/S接触是多子器件. 对M/n-S 形成的 电子势垒, 其输运特性主要由电子决定. ♦ 正向偏置, 半导体一侧电子势垒降低, 可 形成较大的正向电流. ♦ 反向偏置, 半导体一侧电子势垒升高, 反 向电流很小. 当反向偏置加大,反向电流可 趋于饱和.
半导体物理学
一．半导体中的电子状态
二．半导体中杂质和缺陷能级
三．半导体中载流子的统计分布
四．半导体的导电性
五．非平衡载流子 六．pn结 七．金属和半导体的接触 八．半导体表面与MIS结构
chap7 金属与半导体接触
Metal-semiconductor Contact




chap7 金属与半导体接触
Metal-semiconductor Contact




；箝位二极管（用于集成电路“IC”，限制深饱 和）（肖特基势垒二极管） 2．半导体为重掺杂（ N 5 1020 / cm3），金－半接 触表现为（正反向偏压）低阻特性。称欧姆接触 （非整流接触）V-I特性对称。 应用：器件引线（外引线及集成电路中的内线） I 两种接触的伏安特性：
jsT A T e
ⓐ肖特基势垒二极管是多子器件, 有优良的 高频特性. 一般情况下, 不必考虑少子的注入和复合. ⓑ肖特基势垒二极管有较低的正向导通电 压. 反向击穿电压较低,反向漏电较高. ⓒ肖特基势垒二极管具有制备上的优势.
7.3少数载流子的注入和欧姆接触
★欧姆接触 欧姆接触是金属-半导体接触的另一个重 要应用—作为器件引线的电极接触(非整 流接触). 欧姆接触的要求: 接触电阻应小到与半导 体的体电阻相比可以忽略(不影响器件的 电学特性). 欧姆接触的实现: 主要方法是对接触处的 半导体高掺杂, 利用隧道效应, 得到很小 的接触电阻
★ 肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode——SBD ) p-n结二极管
J J S (e

eV kT
1),
eD eD JS pn 0 np0 L L
肖特基势垒二极管
j jsT (e
eV kT
1),
2 eSB kT 2 4 ek m , A 3 h

②热电子发射 理论的结果 ♦ 其中
Biblioteka Baidu
j jsT (e

eV kT
1)
jsT A T e

eSB 2 kT
2
♦ 有效里查孙常数 (书上,表7-4)
4 ek m A 3 h
n为理想因子，I0为与不依赖电压的部分，非理想效应用n的取值来反 映，n 通常取1.0-1.2 1）其中I0 通过外推得到。 2） 可以从以前的式子得到势垒高度，在分析中势垒降低必须考虑。 3）n从曲线斜率得到。
热平衡情形下M/S接触的能带图
假设金属与半导体功函数差为：Wms，且一般 情况下不为0。 当金属和半导体形成接触时，如果二者的功函 数不同（费米能级不等），则会发生载流子浓 度和电势的再分布，形成肖特基势垒。通常会 出现电子从功函数小（费米能级高）的材料流 向功函数大的材料，直到两材料体内各点的费 米能级相同（即Ef ＝常数）为止。半导体体内 载流子的再分布会形成载流子耗尽或积累，并 在耗尽区或积累区发生能带弯曲，而在金属体 内的载流子浓度和能带基本没有变化。