chap_7金属和半导体的接触

Ws E0 (EF )s
2009-12-15
半导体物理学
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§7.1 金属和半导体接触及其能带图
Ws E0 ( EF ) s
N型半导体：
Ws En
式中： E 0 E c E E c ( E F ) s
n
χ表示从Ec到E0的能量间隔：
一般叫“费米势”
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。
半导体物理学
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§7.2 金属半导体接触整流理论
整流特性（对阻挡层而言） 金属与半导体接触可以形成阻挡层（肖特基势垒， 高阻区）与反阻挡层（高电导区），前者具有与p-n结 相似的整流特性，而后者具有欧姆特性。
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半导体物理学
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§7.2 金属半导体接触整流理论
(EF)s (EF)m (EF)s (EF)m (EF)m (EF)s 外加电压对n型阻挡层的影响 (a)V=0；(b)V>0；(c) V<0 外加反向电压（金属接负极） 外加正向电压（金属接正极）
赣南师范学院
半导体物理学
Semiconductor Physics
主讲：武华
电子科学与技术教研室 物理与电子信息学院
第七章 金属和半导体的接触
所有半导体器件均可由以下几种基本器件结 构组成：
1、P-N结：是一种有P型和N型（掺杂实现）半导体（可为同质半 导体或异质半导体）接触形成的结。 （1）一个P-N结可做二极管； （2）两个P-N结（N-P-N或P-N-P结构）可做双极晶体管（三极管）； （3）三个P-N结（P-N-P-N结构）可做可控硅器件（一种开关器件）。 2、金属-半导体结构（金-半结）： （1）作整流接触：利用单向导电性，将交流电变直流电。 该结构又叫肖特基结；肖特基势垒二极管。 （2）作欧姆接触：用作集成电路中的接触互连材料。 3、金属-氧化物-半导体（MOS）结构：做金氧半场效应晶体管 2009-12-15 2 半导体物理学 （MOSFET）。
势垒区，形成正的空间电 荷区，空穴浓度远大于体 内，因此是高电导区（欧 姆接触特性）
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半导体物理学
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§7.1 金属和半导体接触及其能带图
三、表面态对接触势垒的影响 金－半（n型）接触：金属一边形成的势垒高度：
qns = Wm -
: 对同一半导体，保持定值
Wm：随不同金属而变化
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§7.1 金属和半导体接触及其能带图
一、金属和半导体的功函数 1、金属和半导体的能带图
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半导体物理学
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§7.1 金属和半导体接触及其能带图
metal 2、金属的功函数Wm 表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属 内部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。
势垒区，形成负的空间电荷 区，半导体表面电子浓度远大 于体内，因此是高电导区（欧 姆接触特性）
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§7.1 金属和半导体接触及其能带图
势垒区，空间电荷主要由 电离受主构成，空穴浓度 远小于体内，因此是高阻 区（整流特性）
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半导体物理学
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§7.1 金属和半导体接触及其能带图
二、金属和半导体的接触及接触电势差
Wm 金 属 n型 半 导 体 Wm 四种接触类型 Wm 金 属 p型 半 导 体 2009-12-15 半导体物理学 Wm
Ws Ws Ws Ws
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§7.1 金属和半导体接触及其能带图
Schottky扩散理论（阻挡层厚）
金属－半导体整流接触的伏安特性方程式：
qV J J sT exp 1 k T 0 qV J J sD exp k T 1 2009-12-15 0
J sT
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§7.1 金属和半导体接触及其能带图
表面态呈电中性时的 n型半导体能带图
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存在施主表面态的 n型半导体能带图
半导体物理学
存在受主表面态的 n型半导体能带图
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§7.2 金属半导体接触整流理论
重点： 阻挡层的整流特性和整流理论
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qns A T exp k T 0
* 2
1/ 2
热电子发射理论 饱和电流密度
与温度有关
扩散理论 饱和电流密度
与p-n结有别
2qN D VD V J sD r 0 半导体物理学
qVD exp k T 0
第七章 金属和半导体的接触
§7.1 金属和半导体接触及其能带图 §7.2 金属和半导体接触整流理论 §7.3 少数载流子的注入和欧姆接触 重点： 1、阻挡层与反阻挡层的形成 2、整流接触的特性 3、欧姆接触的特性
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§7.1 金属和半导体接触及其能带图
重点： 功函数 电子亲和能 接触电势势垒 阻挡层与反阻挡层
在界面处晶格的断裂产生大量能量状态，称为界面态或表面 态，位于禁带内，表面态通常按能量连续分布。 表面态分为施主型和受主型。 表面处存在一个距离价带顶为qФ0的能级（中性能级）。电子 正好填满qФ0以下所有的表面态时，表面呈电中性。若qФ0以 下表面态为空，表面带正电，类似施主作用；qФ0以上表面态 被电子填充，表面带负电，类似受主作用。 对于大多数半导体，中性能级 =qФ0 约为禁带宽度的三分之一。
势垒宽度比载ky扩散理论（阻挡层厚）
热电子发射理论：假设势垒区宽度较电子的平均自由程短， 故可略去电子在势垒区的碰撞，当电子的热运动有足够大的 动能超越势垒的顶点时，就可以自由地通过势垒区进入金属。 同样，金属中能超越势垒顶的电子也都能到达半导体内。 扩散理论：假设势垒区宽度较半导体内的电子的平均自由程长， 必须同时考虑电子在势垒区的漂移和扩散运动。
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§7.2 金属半导体接触整流理论
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，载流子无碰撞、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
(Wm>Ws)，(Vs)0<0（表面势：半导体表面和体内的电势差）
(a) 平衡时，净电流为零
认为外加电压全部降落在阻挡层（势垒区）
(b) 半导体势垒高度由qVD=－q(Vs)0降低为－q[(Vs)0+V]，形成正向电流，且 外加正向电压越大，势垒下降越多，正向电流越大。
增高为－q[(Vs)0+V] ，金属势垒高（恒定）， (c) 半导体势垒高度由qVD=－q(Vs)0半导体物理学 2009-12-15 24
阻挡层与反阻挡层 （1）金属-n型半导体接触
Wm>Ws Wm<Ws 电子阻挡层（高电阻层） 电子反阻挡层(高电导层)
（2）金属-p型半导体接触
Wm>Ws Wm<Ws
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空穴反阻挡层（高电导层） 空穴阻挡层（高电阻层）
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§7.1 金属和半导体接触及其能带图
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与V有关
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§7.2 金属半导体接触整流理论
载流子迁移率较高，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； 载流子迁移率较小，平均自由程较短（Cu2O），电流输 运机构以扩散为主。
金属半导体接触伏安特性 2009-12-15 半导体物理学
理想p-n结的J-V 曲线
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§7.3 少数载流子的注入和欧姆接触
1.少数载流子的注入（n型阻挡层）
平衡时接触界面处的载流子浓度：
qVD n(0) n0 exp k T 0 qVD p (0) p0 exp kT 0
正向电压（金属为正），势垒降低 正向电压，空穴积累 少数载流子的积累
§7.2 金属半导体接触整流理论
特点：
利用金属半导体整流接触制成的二极管
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 pn 结的 Js 大 得多，具有较低的正向导通电压（ 0.3V 左右），可 作为高速 TTL 电路的钳位晶体管（大大提高电路的 速度）。
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(a) p型阻挡层（Wm<Ws） (b) p型反阻挡层（Wm>Ws） 半导体物理学 金属和p型半导体接触能带图
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§7.2 金属半导体接触整流理论
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，载流子无碰撞、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）
共同形成正向电流
电子、空穴扩散占优，如何运动的
W m E0 (E F )m
E0
功函数又叫逸出功
E0为真空中静止电子的能量，又称为真空静止电子能级。
金属的功函数随原子序数 的递增呈现周期性变化
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§7.1 金属和半导体接触及其能带图
3、半导体的功函数Ws
semiconductor
E0与费米能级之差称为半导体的功函数。
实验表明：不同金属与同一半导体接触，各种金属的 功函数虽然相差很大，但与半导体接触时形成的势垒 高度却相差很小。 原因：半导体表面的禁带中存在表面态（表面能级）。