第七章 金属和半导体的接触

第七章

金属和半导体的接触

第七章

Part 1

7.1 M-S接触的势垒模型

7.2 M-S接触的整流理论

7.3 少数载流子的注入和欧姆接触

前言 金属——半导体接触

由金属和半导体互相接触而形成的结构，简称M-S接触。

典型接触：

肖特基势垒器件

1、半导体掺杂浓度低，单向导电性——整流接触

2、半导体掺杂浓度高，双向导电性——欧姆接触提供低阻互联

7.1 M-S接触的势垒模型

一、功函数和电子亲和能

0m Fm

W E E =-真空中静止电子的能量

金属

0S FS

W E E =-半导体

0C E E χ=-电子亲和能

S n

W E χ=+

二、理想的M-S接触势垒模型理想接触：

——在半导体表面不存在表面态

——M-S之间没有绝缘层或绝缘层很薄的紧密接触以金属和n型半导体的接触为例

二、理想的M-S 接触势垒模型

S m

W W 1、电子系统在热平衡状态时应有统一的费米能级

电子转移

空间电荷区

半导体体内载流子重新分布引起载流子的积累或耗尽，导致能带弯曲；但金属体内的载流子和浓度基本没有变化

E

二、理想的M-S 接触势垒模型

D S m s

qV qV W W =-=-ns D n m q qV E W φχ

=+=-表面势：从半导体表面到内部的电势差

半导体一侧的电子所面临的势垒：

金属一侧的电子所面临的势垒：

电子阻挡层；高阻区——整流接触

二、理想的M-S 接触势垒模型

m S

W W 2、电子反阻挡层；低阻——欧姆接触

电子转移

E

二、理想的M-S 接触势垒模型

m S

W W >m S

W W

——电子的阻挡层——整流接触表面处能带向上弯曲

表面处能带向下弯曲

N 型：

——电子的反阻挡层——欧姆接触P 型：

——空穴的反阻挡层——欧姆接触

P 型：

——空穴的阻挡层——整流接触

三、表面态对接触势垒的影响

013

g

q E φ= 巴丁提出表面态对M-S接触的影响——巴丁势垒模型

表面态，表面能级

表面态的费米能级

施主型：有电子呈电中性；空着带正电

受主型：有电子带负电；空着为电中性

三、表面态对接触势垒的影响

存在表面态，即使不与金属接触，半导体一侧产生电子势垒

态密度较大

态密度很大

金属和半导体接触前

电子转移

D g n qV

E E q φ=--

三、表面态对接触势垒的影响

半导体向金属转移电子

接触前后，半导体一侧的空间电荷不发生变化，表面势不变——势垒高度被钉扎

①表面态密度很大，以表面电子转移为主

金属和半导体接触

只转移表面态中的电子就可使整个系统达到平衡。

m s

W W

三、表面态对接触势垒的影响②表面态密度较大，表面、体内电子均转移

表面态中的电子和半导体体内的电子都要向金属转移，才能使系统平衡金属功函数对势垒有影响，但影响不大——实际情况

理想接触

接触情况对比

金属的功函数决定接触类型及势垒高度

实际接触

由于存在表面态，接触时

总是形成势垒，且势垒高度受金属功函数影响不大

m S

W W >m S

W W <电子的阻挡层——整流接触电子的反阻挡层——欧姆接触

7.2 M-S接触的整流理论

一、势垒高度随外加电压的变化

1、0

V =S M M S

J J →→=E

一、势垒高度随外加电压的变化

V

<外加电压增强了内建电场的作用，势垒区电势增强，势垒增高；金属一侧的势垒高度没有变化；

电流很小，为反向偏置

金属接负极，半导体接正极

2、0

M S S M J J J →→=-≠E 内

E 外

一、势垒高度随外加电压的变化

3、 0V >S M M S

J J J --=-净电流密度很大，为正向偏置

金属一侧的势垒高度没有变化

外加电压削弱了内建电场的作用，半导体势垒降低；金属接正，半导体接负

E 内

E 外

二、扩散理论

——势垒区是耗尽区；——半导体是非简并的

1、扩散理论的适用范围

——适用于厚阻挡层；

势垒宽度比载流子的平均自由程大得多，即

n

d l

二、扩散理论

在势垒区边界，电子的浓度分别为：

()()0

000D n d n qV n n exp k T =⎛⎫

=- ⎪

⎝⎭

2、扩散理论的基本思想

电子从体内向界面处扩散；在内建电场的作用下，电子做漂移运动；

二、扩散理论

无外加电压：

扩散与漂移相互抵消——平衡；反向电压：

漂移增强——反偏；正向电压：扩散增强——正偏

扩散

漂移扩散方向与漂移方向相反