第七章 金属和半导体的接触分析

Ws Ec EF s En
Ws Wm Vms Vm Vs q
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Ws Eo (EF )s Eg Ep
电子工程系EE
式中： E
n

Ec ( EF )s
E0
χ

Ec
P型半导体：
Ep ( EF )s Ev
Eg
WSP
EP
EF
Ws Eo (EF )s Eg Ep
4
Ev
电子工程Biblioteka BaiduEE

金属半导 体接触及 其能级图
金属半导体 接触整流理 论 少数载流子 的注入和欧 姆接触 小结
二、金属与半导体的接触及接触电势差 1. 阻挡层接触
忽略间隙中的电势差时的极限情形 半导体一边的势垒高度为：

qVD qVs Wm Ws
Vs为半导体的表面势<0(表面电势减内部电势) 金属一边的势垒高度为：
qns


qmn qVD En qVs En Wm Ws En Wm
qVd En Ec EF Ev
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x-Wm
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金属半导 体接触及 其能级图
金属半导体 接触整流理 论 少数载流子 的注入和欧 姆接触 小结



金属与P型半导体接触时，若Wm<Ws，形成空 穴的表面势垒。在势垒区，空间电荷主要由 电离受主形成，空穴浓度比体内小得多，也 是一个高阻区域，形成P型阻挡层。 金属与P型半导体接触时，若Wm>Ws，能带向 上弯曲，形成P型反阻挡层。 上述金半接触模型即为Schottky 模型。 N型 Wm>Ws Wm<Ws 阻挡层 反阻挡层 P型 反阻挡层 阻挡层
χ表示从Ec到E0的能量间隔：


E0 Ec
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。
E0
χ
Ws
En
Ec (EF)s
Ev
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金属半导 体接触及 其能级图
金属半导体 接触整流理 论 少数载流子 的注入和欧 姆接触 小结
N型半导体

Ws Ec EF s En
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欧姆接触


金属半导体 接触及其能 级图 金属半导体 接触整流理 论


欧姆接触
小结
欧姆接触：金属与半导体接触时形成的非整流接触 • 不产生明显的附加阻抗 • 不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的变化 • 不影响器件的电流–电压特性 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。 半导体器件要求在金属和半导体之间形成良好的欧姆 接触。在超高频和大功率器件中，欧姆接触是设计和 制造中的关键问题之一。 实现欧姆接触的方法：利用隧道效应的原理 重掺杂的p–n结可以产生显著的隧道电流。当隧道电 流占主导地位时，它的接触电阻可以很小，可以用作 欧姆接触。 半导体重掺杂时与金属的接触可以形成接近理想的 欧姆接触。
接触后： 金属 —
'
半导体中的电子\ +


Ws Wm 半导体电势提高！ Vms Vm V s q（Vs’-Vm）=Wm-Ws q Vms称为金属与半导体接触电势差。

E0 Wm EFm
Vms x Ws
Ec En EFs
Ev
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金属半导 体接触及 其能级图
金属半导体 接触整流理 论 少数载流子 的注入和欧 姆接触 小结
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金属半导体接触整流理论

金属半导体 接触及其能 级图
1、阻挡层的整流特性——外加电压对阻挡层 的作用

金属半导 体接触整 流理论
少数载流子 的注入和欧 姆接触 小结


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金属半导体接触整流理论

金属半导体 接触及其能 级图

金属半导 体接触整 流理论
欧姆接触 小结
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金属半导 体接触及 其能级图
金属半导体 接触整流理 论 少数载流子 的注入和欧 姆接触 小结



金属与 N 型半导体接触 时，若Wm>Ws，半导体 表面形成表面势垒。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。界面处的势垒通 常称为肖特基势垒。
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：


接触前： EF

s EF m EF s EF m Wm Ws
E0 Wm x Ws
Wm Ws
En
EFm
5
Ec EFs
Ev
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金属半导 体接触及 其能级图
金属半导体 接触整流理 论 少数载流子 的注入和欧 姆接触 小结

小结
总结： 金属和半导体的功函数，电子的亲和能，N型P型 半导体的功函数表达式，金属与半导体接触电势差， 阻挡层接触，反阻挡层接触 阻挡层的整流特性（外加电压对阻挡层的作用） 肖特基势垒，肖特基势垒二极管 欧姆接触，实现欧姆接触的方法
Wm E0 ( EF )m Ws E0 ( EF )s E0 Ec

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金属半导体接触整流理论

金属半导体 接触及其能 级图

金属半导 体接触整 流理论
欧姆接触 小结

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肖特基势垒二极管

金属半导体 接触及其能 级图

金属半导 体接触整 流理论
欧姆接触 小结

总结： 金属和低掺杂的半导体形成的接触具有整流特性。 在不考虑表面态时称为肖特基接触或肖特基模型， 形成的势垒称为肖特基势垒。 肖特基势垒的整流特性采用了扩散理论和热电子 发射理论，后者适用于载流子迁移率大的材料，如 硅、锗、砷化镓等，而前者适用于迁移率小的材料， 例如碳化硅、锑化锌等材料。 肖特基势垒二极管： 利用金属--半导体整流接触特性制成的二极管。 特点：肖特基二极管是一种多数载流子器件，即形 成电流的载流子主要是多数载流子。故比pn结二极 管有更好的高频特性。 对于同样的电流，有较低的正向导通电压，~0.3V。



Wm E0 ( EF )m
E0为真空中电子的 能量，又称为真空 能级。
E0 Wm (EF)m
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金属半导 体接触及 其能级图
金属半导体 接触整流理 论 少数载流子 的注入和欧 姆接触 小结
半导体的功函数Ws E0与费米能级之差称为半导体的功函数。

Ws E0 ( EF )s
qns
qVd En Ec EF
Ev
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金属半导 体接触及 其能级图
金属半导体 接触整流理 论 少数载流子 的注入和欧 姆接触 小结


2. 反阻挡层接触 若Wm<Ws，金属与N型半导体接触时，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，Vs>0， 能带向下弯曲。这里电子浓度比体内大得多， 因而是一个高电导的区域，称之为反阻挡层。 Ec EF Ws-Wm Ev
半导体物理
第七章 金属和半导体的接触
电子工程系EE1
金属半导体的接触及其能级图

金属半导 体接触及 其能级图
金属半导体 接触整流理 论 少数载流子 的注入和欧 姆接触 小结
一、功函数
金属的功函数Wm 金属的功函数表示一个起始能量等于费米能级 的电子，由金属内部逸出到表面外的真空中所 需要的最小能量。
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欧姆接触


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欧姆接触
小结
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欧姆接触


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欧姆接触
小结
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本章小结



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