半导体物理第七章金属和半导体接触

§7.2 金属-半导体接触整流理论
Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact
学习重点：
• 阻挡层的整流特性和整流理论 • 欧姆接触
哈尔滨工业大学微电子科学与技术系
1、阻挡层的整流特性
—— 外加电压对阻挡层的作用
I
0
V
• 接触前
• 接触后（V=0）
金属与半导体材料紧密接触。
热平衡条件下，两种材料具有统 一的费米能级，同时真空能级具 有连续性。金属-半导体接触能 带结构如图所示。
Wm
qφns = Wm -χ
EFm
Ws En
E0 χ
Ec EFs
Ev
导带底电子向金属运动时必 须越过的势垒高度：
qVD = Wm – Ws 金属一侧的电子运动到半导
E0
0 xd E(x)
x
• 空间电荷区电势分布
0 xd
x
V(x)2qrN D 0(x22xdxxd2) 0xxd
V(x) 0
xd
x
V(x)0 xxd
qVD
• 空间电荷区宽度
xd
2r0VD qND
ND n(x)
ni2/ND
p(x) 0 xd
n0
p0 x
• 空间电荷区载流子分布
qV ( x ) n ( x ) N D exp k 0T x 0:
学习重点：
• 功函数 • 电子亲和势 • 接触电势势垒 • 阻挡层与反阻挡层
哈尔滨工业大学微电子科学与技术系
Metal Insulator Semiconductor
(a) 基于平面工艺的金属-半导体接触结构透视图 Metal
Semicoductor
(b) 金属-半导体接触结构一维结构图
1、金属和半导体的功函数
金属功函数Wm ：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。
Wm = E0 - (EF)m 半导体功函数Ws ：真空能级与半导体费米能级之差。
Ws = E0 – (EF)s 电子亲合能χ：半导体导带底的电子逸出体外所需的最小能量。
(EF)m
E0
E0 Ec
Ws
χ
Ws E0 (EF )s
（1）扩散理论
xd>> ln时，电子通过势垒区将发生多次碰撞。 势垒高度qVD>>k0T 时，势垒区内的载流子浓度近似 等于零。
耗尽层中的电荷密度：
q0ND
(0xxd) (xxd)
（1）
代入泊松方程 d 2V
dx 2
r 0
即
d 2V dx 2
qN D
r 0
0
(0 x xd ) (x xd )
Wm
En
Ec
(E0 Ec) (Ec EF )
(EF)s
En
En Ec (EF )s
Ev
2、接触电势差
E0
Ws
χ
Wm
En
Ec (EF)s
EFm
Ev
假设金属和 n 型半导体相接触，且Wm>Ws
接触势垒： 故接触电势差
WmWs Vms
Vms
Ws
Wm q
3、理想金属–半导体接触
（1）理想金属-半导体接触能带结构
• 空间电荷密度
(x)qND 0xxd (x)0 xxd
ρ (x) qND
0 xd
x
E(x)
0 xd
x
V(x) 0 xd
qVD
ND n(x)
ni2/ND
p(x) 0 xd
x
n0 p0
x
• 空间电荷区电场强度
①②
③
E(x)qrND 0 (xxd) 0xxd
ρ (x) qND
E(x)0 xxd
设半导体中性 区电势为零
（2）金属-p型半导体接触 （a）空穴反阻挡层：Wm>Ws （b）空穴阻挡层：Wm>Ws
5、表面态对接触势垒的影响
表面态： 由于晶格周期性在表面处中断而出现的局 （定）域在表面附近的电子态。
表面能级：与表面态相应的能级称为表面能级。 受主型表面态：表面能级接受电子后带负电，称为~。 施主型表面态：表面能级释放电子后带正电，称为~。
n ( 0 ) N D exp
qV D k 0T
①②
③
ρ (x) qND
0 xd
x
E(x)
0 xd
x
V(x) 0 xd
qVD
ND n(x)
ni2/ND
p(x) 0 xd
x
n0 p0
x
（1）金属-n型半导体接触
（a）电子阻挡层：Wm>Ws
半导体一界侧的面 势垒 qVD = Wm -Ws
Wm
Wqφs m χ En
EFm Wm
Ws
空 穴 能 量
χ
E0
空穴阻挡层
Ec
Ec EFEv
EFs
qVD = Ws -Wm
XD
Ev
半导体一侧势垒：qVD = Ws -Wm
（b）空穴反阻挡层：Wm>Ws
χ
E0
空穴反阻挡层
Ec
Wm
Ws
Ec
EFm
EFs
Ev
EF
XD
Ev
4、阻挡层与反阻挡层
（1）金属-n型半导体接触 （a）电子阻挡层：Wm>Ws （b）电子反阻挡层：Wm>Ws
Wm EFm
Ws χ En
E0
Ec EFs
Ev
界面
qφm
qVD EF Ev
Ev
电子阻挡层
净电流 J = Js→m – Jm→s = 0
• 外加正向偏压（金属一侧接正极）
Metal N型
• 外加反向偏压（半导体一侧接正极）
Metal N型
2、整流理论
（1）扩散理论：xd>> ln （2）热电子发射理论：xd << ln
Wm
qVD = Wm -Ws χ Ws
qφns = Wm -χ
En
Ec EFs
EFm
Ev
体一侧需要越过的势垒高度：
qφns = Wm - χ
金属-半导体接触的重要参数：肖特基势垒
（2）理想金属-半导体接触静电特性 ① ②
③
理想金属-半体接触由三 个区域组成：
①金属电子积累区 ②半导体空间电荷区 ③半导体中性区 在耗尽层近似条件下：
第七章 金属和半导体的接触
Contact between Metal and Semiconductor
重点：
1、阻挡层与反阻挡层的形成 2、肖特基势垒的定量特性 3、欧姆接触的特性
§7.1 金属-半导体接触和能带图
Contact between Metal and Semiconductor and Band Diagram
利用边界条件：
|
E(xd
)
|dV dx
xxd
0
V(xd) 0
由（1）-（4）式及 E dV 积分得到
dx
E(x) dV dx
ห้องสมุดไป่ตู้E0
Ec EFs
qVD EF Ev
EFm
金属一侧的势垒
qφm = Wm -χ
电子阻E挡v 层
Ev
界面
界面
EFs
EF
电子阻挡层
电子阻挡层
（b）电子反阻挡层：Wm<Ws
EFm Wm
Ws χ En
E0
Ec EFs
Ev
界 面 电子反阻挡层
Ec EF
Ev
XD
qVD = Ws -Wm
（2）金属-p型半导体接触 （a）空穴阻挡层：Wm<Ws