金屬半導體接觸解讀課件

1、第七章 金屬和半導體的接觸 第1頁，共58頁。 1、金屬半導體接觸及其能級圖第2頁，共58頁。（1）金屬和半導體的功函數(shù) 在絕對零度時，金屬中的電子填滿了EF以下所有能級，而高于EF的能級則全空, 在一定溫度下，只有EF附近的少數(shù)電子受熱激發(fā)，由低于EF的能級躍遷到高于EF的能級上，但絕大部分電子仍不能脫離金屬而逸出體外。 這說明金屬中的電子雖然能在金屬中自由運動，但絕大多數(shù)所處的能級都低于體外能級,要使電子從金屬中逸出，必須由外界給它足夠能量。所以，金屬內部電子是在勢阱中運動。第3頁，共58頁。金屬的功函數(shù)Wm金屬的功函數(shù)表示一個起始能量等于費米能級的電子，由金屬內部逸出到表面外的真空中所需

2、要的最小能量。E0(EF)mWmE0為真空中電子的能量，又稱為真空能級。第4頁，共58頁。第5頁，共58頁。半導體的功函數(shù)WsE0與費米能級之差稱為半導體的功函數(shù)。Ec(EF)sEvE0Ws表示從Ec到E0的能量間隔：稱為電子的親和能，它表示要使半導體導帶底的電子逸出體外所需要的最小能量。EnEp第6頁，共58頁。式中：n型半導體：Ec(EF)sEvE0WsEnEp第7頁，共58頁。p型半導體：Ec(EF)sEvE0WsEnEp第8頁，共58頁。n型半導體：p型半導體：第9頁，共58頁。設想有一塊金屬和一塊n型半導體，并假定金屬的功函數(shù)大于半導體的功函數(shù)，即：（2）接觸電勢差接觸前：Ec(EF

3、)sEvE0WsEnWm(EF)m第10頁，共58頁。第11頁，共58頁。Vs為表面勢第12頁，共58頁。半導體中的電子金屬+接觸后：半導體一邊的勢壘高度為：金屬一邊的勢壘高度為：EnEcEv(EF)sqVDqnsWm第13頁，共58頁。金屬與n型半導體接觸 接觸電勢差Vs=Ws-Wm WmWs形成表面勢壘勢壘區(qū)電子濃度比體內小得多高阻區(qū)(阻擋 層)。界面處的勢壘通常稱為肖特基勢壘。第14頁，共58頁。若WmWs，能帶向上彎曲，形成P型反阻擋層。金屬與p型半導體接觸時，若WmWs阻擋層反阻擋層WmWs反阻擋層阻擋層上述金半接觸模型即為Schottky 模型：第18頁，共58頁。（3）表面態(tài)對接

4、觸勢壘的影響第19頁，共58頁。這說明：金屬功函數(shù)對勢壘高度影響不大不同金屬，雖功函數(shù)相差很大，但與半導體接觸，形成勢壘的高度相差很小原因：半導體表面存在表面態(tài)第20頁，共58頁。從能帶的角度進行解釋基本概念：表面能級：在半導體表面處的禁帶中存在著表面態(tài)，對應的能級成為表面能級。施主型表面態(tài)：能級被電子占據(jù)時呈電中性，施放電子后呈正電性。受主型表面態(tài)：能級空著時為電中性，施放電子后呈負電性。第21頁，共58頁。表面態(tài)在半導體表面禁帶中形成一定的分布電子恰好填滿q0以下的所有表面態(tài)-表面呈電中性q0以下的表面態(tài)空著時-表面帶正電-施主型q0以上的表面態(tài)被電子填充時-表面帶負電-受主型-+第22頁

5、，共58頁。第23頁，共58頁。表面態(tài)密度很大時表面積累很多負電荷能帶向上彎曲表面處EF很接近q0第24頁，共58頁。（1）流入金屬的電子并不是來自于半導體體內， 而是由受主表面態(tài)提供 (2) 半導體的表面態(tài)可屏蔽金屬接觸的作用， 使半導體內的勢壘高度和金屬的功函數(shù)幾乎無關。 （3）接觸電勢差全部降落在兩個表面之間。第25頁，共58頁。實際上：由于表面態(tài)密度的不同，接觸電勢差部分降落在半導體表面以內，金屬功函數(shù)會對表面勢壘產(chǎn)生影響，但影響不大。因此即使當WmWs時，也可能形成n型阻擋層。第26頁，共58頁。整流理論-阻擋層平衡態(tài)阻擋層無凈電流2、金屬半導體接觸整流理論在金屬和半導體之間加上外加

6、電壓？從半導體進入金屬的電子流從金屬進入半導體的電子流第27頁，共58頁。以n型半導體為例：阻擋層為高阻區(qū)域外加電壓主要降落在阻擋層平衡態(tài)時：表面勢VS0則勢壘高度降低為qVD，=-q(Vs+V)外加一個負電壓Vxc, 則電子完全不能穿過勢壘；若 xdxc, 則勢壘對于電子完全透明，即勢壘降低了.金屬一邊的有效勢壘高度為 -qV(x), 若xcxd第45頁，共58頁。隧道效應引起的勢壘降低為反向電壓較高時，勢壘的降低才明顯第46頁，共58頁。肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管：利用金屬-半導體整流接觸特性制成的二極管。肖特基勢壘二極管與pn結二極管的區(qū)別：（1）多數(shù)載流子器件和少數(shù)載流子器件（2

7、）無電荷存貯效應和有電荷存貯效應（3）高頻特性好。（4）正向導通電壓小。第47頁，共58頁。 P 電子擴散區(qū) 結區(qū) 空穴擴散區(qū) N第48頁，共58頁。 3 少數(shù)載流子的注入與歐姆接觸少數(shù)載流子的注入n型阻擋層，體內電子濃度為n0。金半接觸截面電子濃度： 該濃度差 引起電子由內部向接觸面擴散。平衡時擴散和勢壘電場引起的漂移抵消。正向偏壓下，擴散占據(jù)優(yōu)勢，電子向表面流動，形成正向電流。多子的情況第49頁，共58頁?？昭ǖ臐舛仍诒砻孀畲?n型半導體的勢壘和阻擋層都是對電子而言，由于空穴所帶電荷與電子電荷符號相反，電子的阻擋層就是空穴的積累層。少子的情況 該濃度差 引起空穴由表面向體內擴散。平衡時擴散

8、和勢壘電場引起的漂移抵消。正向偏壓下，擴散占據(jù)優(yōu)勢，空穴向體內流動，也形成正向電流。第50頁，共58頁。 空穴電流的大小，首先決定于阻擋層中的空穴濃度。只要勢壘足夠高，靠近接觸面的空穴濃度就可以很高。由以上討論可知：部分正向電流是由少數(shù)載流子空穴荷載的。Ec(0)Ev(0)EcEFEvn型反型層中的載流子濃度第51頁，共58頁。如果在接觸面附近，費米能級和價帶頂?shù)木嚯x則 p(0) 值應和 n0 值相近，n(0)也近似等于p0Ec(0)Ev(0)EcEFEvn型反型層中的載流子濃度第52頁，共58頁。勢壘中空穴和電子所處的情況幾乎完全相同，只是空穴的勢壘頂在阻擋層的內邊界。 在加正向電壓時，空穴

9、將流向半導體，但它們并不能立即復合，必然要在阻擋層內界形成一定的積累，然后再依靠擴散運動繼續(xù)進入半導體內部。(EF)mEc積累擴散少數(shù)載流子的積累(EF)s第53頁，共58頁。上圖說明這種積累的效果顯然是阻礙空穴的流動。因此，空穴對電流貢獻的大小還決定于空穴進入半導體內擴散的效率。在金屬和n型半導體的整流接觸上加正電壓時，就有空穴從金屬流向半導體。這種現(xiàn)象稱為少數(shù)載流子的注入。 空穴從金屬注入半導體，實質上是半導體價帶頂部附近的電子流向金屬，填充金屬中(EF)m以下的空能級，而在價帶頂附近產(chǎn)生空穴。第54頁，共58頁。歐姆接觸定義：不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，不會使半導體內部載流子濃度發(fā)生顯著改變。技術路線設計：反阻擋層？隧道效應？ 半導體在重摻雜時，和金屬的接觸可以形成接近理想的歐姆接觸。在半導體上制作一層重摻雜區(qū)后再與金屬接觸。第55頁，共58頁。第56頁，共58頁。思考題：施主濃度ND=1017cm-3的n型Si，室溫下功函數(shù)是多少？若不考慮表面態(tài)的影響，它分別和Al、Au和Mo接觸時形成阻擋層還是反阻擋層？Si的電子親和能取4.05