金屬半導(dǎo)體接觸解讀課件

1、第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 第1頁(yè)，共58頁(yè)。 1、金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖第2頁(yè)，共58頁(yè)。（1）金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù) 在絕對(duì)零度時(shí)，金屬中的電子填滿了EF以下所有能級(jí)，而高于EF的能級(jí)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(jí)躍遷到高于EF的能級(jí)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(yùn)動(dòng)，但絕大多數(shù)所處的能級(jí)都低于體外能級(jí),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(nèi)部電子是在勢(shì)阱中運(yùn)動(dòng)。第3頁(yè)，共58頁(yè)。金屬的功函數(shù)Wm金屬的功函數(shù)表示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由金屬內(nèi)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(jí)。第4頁(yè)，共58頁(yè)。第5頁(yè)，共58頁(yè)。半導(dǎo)體的功函數(shù)WsE0與費(fèi)米能級(jí)之差稱為半導(dǎo)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(dǎo)體導(dǎo)帶底的電子逸出體外所需要的最小能量。EnEp第6頁(yè)，共58頁(yè)。式中：n型半導(dǎo)體：Ec(EF)sEvE0WsEnEp第7頁(yè)，共58頁(yè)。p型半導(dǎo)體：Ec(EF)sEvE0WsEnEp第8頁(yè)，共58頁(yè)。n型半導(dǎo)體：p型半導(dǎo)體：第9頁(yè)，共58頁(yè)。設(shè)想有一塊金屬和一塊n型半導(dǎo)體，并假定金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)，即：（2）接觸電勢(shì)差接觸前：Ec(EF

3、)sEvE0WsEnWm(EF)m第10頁(yè)，共58頁(yè)。第11頁(yè)，共58頁(yè)。Vs為表面勢(shì)第12頁(yè)，共58頁(yè)。半導(dǎo)體中的電子金屬+接觸后：半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度為：金屬一邊的勢(shì)壘高度為：EnEcEv(EF)sqVDqnsWm第13頁(yè)，共58頁(yè)。金屬與n型半導(dǎo)體接觸 接觸電勢(shì)差Vs=Ws-Wm WmWs形成表面勢(shì)壘勢(shì)壘區(qū)電子濃度比體內(nèi)小得多高阻區(qū)(阻擋 層)。界面處的勢(shì)壘通常稱為肖特基勢(shì)壘。第14頁(yè)，共58頁(yè)。若WmWs，能帶向上彎曲，形成P型反阻擋層。金屬與p型半導(dǎo)體接觸時(shí)，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(yè)，共58頁(yè)。（3）表面態(tài)對(duì)接

4、觸勢(shì)壘的影響第19頁(yè)，共58頁(yè)。這說明：金屬功函數(shù)對(duì)勢(shì)壘高度影響不大不同金屬，雖功函數(shù)相差很大，但與半導(dǎo)體接觸，形成勢(shì)壘的高度相差很小原因：半導(dǎo)體表面存在表面態(tài)第20頁(yè)，共58頁(yè)。從能帶的角度進(jìn)行解釋基本概念：表面能級(jí)：在半導(dǎo)體表面處的禁帶中存在著表面態(tài)，對(duì)應(yīng)的能級(jí)成為表面能級(jí)。施主型表面態(tài)：能級(jí)被電子占據(jù)時(shí)呈電中性，施放電子后呈正電性。受主型表面態(tài)：能級(jí)空著時(shí)為電中性，施放電子后呈負(fù)電性。第21頁(yè)，共58頁(yè)。表面態(tài)在半導(dǎo)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(shí)-表面帶正電-施主型q0以上的表面態(tài)被電子填充時(shí)-表面帶負(fù)電-受主型-+第22頁(yè)

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

6、電壓？從半導(dǎo)體進(jìn)入金屬的電子流從金屬進(jìn)入半導(dǎo)體的電子流第27頁(yè)，共58頁(yè)。以n型半導(dǎo)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(shí)：表面勢(shì)VS0則勢(shì)壘高度降低為qVD，=-q(Vs+V)外加一個(gè)負(fù)電壓Vxc, 則電子完全不能穿過勢(shì)壘；若 xdxc, 則勢(shì)壘對(duì)于電子完全透明，即勢(shì)壘降低了.金屬一邊的有效勢(shì)壘高度為 -qV(x), 若xcxd第45頁(yè)，共58頁(yè)。隧道效應(yīng)引起的勢(shì)壘降低為反向電壓較高時(shí)，勢(shì)壘的降低才明顯第46頁(yè)，共58頁(yè)。肖特基勢(shì)壘二極管肖特基勢(shì)壘二極管：利用金屬-半導(dǎo)體整流接觸特性制成的二極管。肖特基勢(shì)壘二極管與pn結(jié)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(yīng)和有電荷存貯效應(yīng)（3）高頻特性好。（4）正向?qū)妷盒?。?7頁(yè)，共58頁(yè)。 P 電子擴(kuò)散區(qū) 結(jié)區(qū) 空穴擴(kuò)散區(qū) N第48頁(yè)，共58頁(yè)。 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(nèi)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(nèi)部向接觸面擴(kuò)散。平衡時(shí)擴(kuò)散和勢(shì)壘電場(chǎng)引起的漂移抵消。正向偏壓下，擴(kuò)散占據(jù)優(yōu)勢(shì)，電子向表面流動(dòng)，形成正向電流。多子的情況第49頁(yè)，共58頁(yè)?？昭ǖ臐舛仍诒砻孀畲?n型半導(dǎo)體的勢(shì)壘和阻擋層都是對(duì)電子而言，由于空穴所帶電荷與電子電荷符號(hào)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(nèi)擴(kuò)散。平衡時(shí)擴(kuò)散

8、和勢(shì)壘電場(chǎng)引起的漂移抵消。正向偏壓下，擴(kuò)散占據(jù)優(yōu)勢(shì)，空穴向體內(nèi)流動(dòng)，也形成正向電流。第50頁(yè)，共58頁(yè)。 空穴電流的大小，首先決定于阻擋層中的空穴濃度。只要?jiǎng)輭咀銐蚋?，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(yè)，共58頁(yè)。如果在接觸面附近，費(fèi)米能級(jí)和價(jià)帶頂?shù)木嚯x則 p(0) 值應(yīng)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(yè)，共58頁(yè)。勢(shì)壘中空穴和電子所處的情況幾乎完全相同，只是空穴的勢(shì)壘頂在阻擋層的內(nèi)邊界。 在加正向電壓時(shí)，空穴

9、將流向半導(dǎo)體，但它們并不能立即復(fù)合，必然要在阻擋層內(nèi)界形成一定的積累，然后再依靠擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)部。(EF)mEc積累擴(kuò)散少數(shù)載流子的積累(EF)s第53頁(yè)，共58頁(yè)。上圖說明這種積累的效果顯然是阻礙空穴的流動(dòng)。因此，空穴對(duì)電流貢獻(xiàn)的大小還決定于空穴進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)擴(kuò)散的效率。在金屬和n型半導(dǎo)體的整流接觸上加正電壓時(shí)，就有空穴從金屬流向半導(dǎo)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(dǎo)體，實(shí)質(zhì)上是半導(dǎo)體價(jià)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(jí)，而在價(jià)帶頂附近產(chǎn)生空穴。第54頁(yè)，共58頁(yè)。歐姆接觸定義：不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，不會(huì)使半導(dǎo)體內(nèi)部載流子濃度發(fā)生顯著改變。技術(shù)路線設(shè)計(jì)：反阻擋層？隧道效應(yīng)？ 半導(dǎo)體在重?fù)诫s時(shí)，和金屬的接觸可以形成接近理想的歐姆接觸。在半導(dǎo)體上制作一層重?fù)诫s區(qū)后再與金屬接觸。第55頁(yè)，共58頁(yè)。第56頁(yè)，共58頁(yè)。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(shí)形成阻擋層還是反阻擋層？Si的電子親和能取4.05