金屬和半導(dǎo)體的接觸

關(guān)于金屬和半導(dǎo)體的接觸主要內(nèi)容§7.1金屬和半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖§7.2金屬和半導(dǎo)體接觸整流理論

§7.3少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸掌握阻擋層與反阻擋層的形成，肖特基勢(shì)壘的定量特性，歐姆接觸的特性。第2頁,共65頁，星期六，2024年，5月

一、功函數(shù)1.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)?！?.1金屬和半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖金屬中的電子在勢(shì)阱中運(yùn)動(dòng)第3頁,共65頁，星期六，2024年，5月2.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)。χ表示從Ec到E0的能量間隔：稱χ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。Ec(EF)sEvE0χWsEn第4頁,共65頁，星期六，2024年，5月式中：N型：半導(dǎo)體Ec(EF)sEvE0χWsEn第5頁,共65頁，星期六，2024年，5月P型半導(dǎo)體：第6頁,共65頁，星期六，2024年，5月設(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：二、金屬與半導(dǎo)體的接觸及接觸電勢(shì)差1.阻擋層接觸第7頁,共65頁，星期六，2024年，5月接觸前：E0xWsEFsEcEnWmEFmEv第8頁,共65頁，星期六，2024年，5月半導(dǎo)體中的電子金屬—+Vms稱為金屬與半導(dǎo)體接觸電勢(shì)差。接觸后：（間隙大）E0xWsEFsEcEnWmEFmEvVms半導(dǎo)體電勢(shì)提高，金屬電勢(shì)降低，直到二者費(fèi)米能級(jí)相平第9頁,共65頁，星期六，2024年，5月緊密接觸：EcEFEnqVdEvWsxq（Vs，—Vm）空間電荷區(qū)E表面形成空間電荷區(qū),內(nèi)部產(chǎn)生自建電場(chǎng)。表面勢(shì)Vs：空間電荷區(qū)兩端的電勢(shì)差。第10頁,共65頁，星期六，2024年，5月忽略間隙中的電勢(shì)差時(shí)的極限情形半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度為：金屬一邊的勢(shì)壘高度為：EcEFEnqVdEv（Vs<0）第11頁,共65頁，星期六，2024年，5月金屬與N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若Wm>Ws，半導(dǎo)體表面形成表面勢(shì)壘。在勢(shì)壘區(qū)，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度比體內(nèi)小得多，是一個(gè)高阻區(qū)域，稱為阻擋層。界面處的勢(shì)壘通常稱為肖特基勢(shì)壘。EcEFEnqVdEvE第12頁,共65頁，星期六，2024年，5月2.反阻擋層接觸（歐姆接觸）若Wm<Ws，金屬與N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，電子將從金屬流向半導(dǎo)體，在半導(dǎo)體表面形成負(fù)的空間電荷區(qū)，電場(chǎng)方向由表面指向體內(nèi)，Vs>0，能帶向下彎曲。這里電子濃度比體內(nèi)大得多，因而是一個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，稱之為反阻擋層。EcEFWs-WmEvx-WmE第13頁,共65頁，星期六，2024年，5月金屬與P型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若Wm>Ws，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Wm<Ws，形成空穴的表面勢(shì)壘。在勢(shì)壘區(qū)，空間電荷主要由電離受主形成，空穴濃度比體內(nèi)小得多，也是一個(gè)高阻區(qū)域，形成P型阻擋層。第14頁,共65頁，星期六，2024年，5月N型P型Wm>Ws阻擋層反阻擋層Wm<Ws反阻擋層阻擋層

肖特基接觸（整流接觸）金屬/半導(dǎo)體接觸歐姆接觸

形成n型和p型阻擋層的條件第15頁,共65頁，星期六，2024年，5月三.表面態(tài)對(duì)接觸勢(shì)壘的影響1.表面態(tài)和表面能級(jí)：表面態(tài)：源于半導(dǎo)體表面晶格的不完整性，表面吸附外來原子或離子。它是局域在表面附近的新電子態(tài)。表面態(tài)能級(jí)：

大多數(shù)半導(dǎo)體的在Ev以上Eg/3的地方。第16頁,共65頁，星期六，2024年，5月2.表面態(tài)的類型1）施主型：電子占滿時(shí)呈中性，失去電子帶正電。

以下的表面態(tài)空著，表面帶正電。

2）受主型：能級(jí)空時(shí)為電中性，接受電子帶負(fù)電。以上的表面態(tài)被電子填充，表面帶負(fù)電。第17頁,共65頁，星期六，2024年，5月3.表面態(tài)對(duì)接觸勢(shì)壘的影響受主態(tài)n型半導(dǎo)體能帶圖無表面態(tài)時(shí)半導(dǎo)體功函數(shù)：有表面態(tài)時(shí)半導(dǎo)體功函數(shù)：因半導(dǎo)體與表面態(tài)交換電子，（不與金屬接觸時(shí)）半導(dǎo)體表面能帶發(fā)生彎曲qVD

,勢(shì)壘高度隨Wm不是線性變化。第18頁,共65頁，星期六，2024年，5月半導(dǎo)體存在高密度表面態(tài)時(shí)

勢(shì)壘高度與金屬功函數(shù)無關(guān)，稱為高表面態(tài)密度釘扎（pinning）,稱為巴丁模型。第19頁,共65頁，星期六，2024年，5月小結(jié)半導(dǎo)體表面態(tài)密度很高時(shí)（>1017eV-1.cm-2),它可屏蔽金屬接觸的影響，使得勢(shì)壘高度與金屬功函數(shù)幾乎無關(guān)，而由半導(dǎo)體表面性質(zhì)決定。當(dāng)表面態(tài)密度不是很高時(shí)，金屬功函數(shù)對(duì)勢(shì)壘高度產(chǎn)生不同程度的影響。第20頁,共65頁，星期六，2024年，5月§7.2金屬和半導(dǎo)體接觸整流理論一.外加電壓對(duì)n型阻擋層（Vs<0）的作用1.外加電壓V=0半導(dǎo)體側(cè)電子勢(shì)壘高度:無凈電流第21頁,共65頁，星期六，2024年，5月2.加正向電壓V>0半導(dǎo)體側(cè)電子勢(shì)壘高度降低為-q[（Vs）0+V)]金屬側(cè)電子勢(shì)壘高度不變。電流方向M→S，由S→M的電子形成正向電流。第22頁,共65頁，星期六，2024年，5月3.加反向電壓V<0半導(dǎo)體側(cè)電子勢(shì)壘高度增加為：-q[（Vs）0+V)]電流方向S→M，由M→S的電子形成反向電流第23頁,共65頁，星期六，2024年，5月阻擋層的I/V特性正向電流隨外加正向電壓增加而增大；金屬一側(cè)勢(shì)壘很高，反向電流很小，且趨于飽和。阻擋層具有單向?qū)щ娦浴魈匦?。?4頁,共65頁，星期六，2024年，5月P型半導(dǎo)體第25頁,共65頁，星期六，2024年，5月n型和p型阻擋層的作用阻擋層具有整流特性；正向電流規(guī)定為半導(dǎo)體多子形成的電流；

n型:金屬極加正電壓，V>0，形成電子由半導(dǎo)體到金屬的正向電流；電流方向：金屬→半導(dǎo)體p型：金屬極加負(fù)電壓V<0，形成空穴由半導(dǎo)體到金屬的正向電流；電流方向：半導(dǎo)體→金屬第26頁,共65頁，星期六，2024年，5月1.擴(kuò)散理論流過勢(shì)壘的電流主要由電子在耗盡區(qū)的擴(kuò)散和漂移過程決定。適于勢(shì)壘區(qū)寬度遠(yuǎn)大于電子的平均自由程的半導(dǎo)體二.理論模型第27頁,共65頁，星期六，2024年，5月耗盡區(qū):雜質(zhì)全電離，電荷由雜質(zhì)電離形成。電場(chǎng)僅存在空間電荷區(qū)。方向指向半導(dǎo)體表面。第28頁,共65頁，星期六，2024年，5月泊松方程：利用邊界條件：第29頁,共65頁，星期六，2024年，5月勢(shì)壘中的電場(chǎng)第30頁,共65頁，星期六，2024年，5月V>0,勢(shì)壘寬度xd隨V增加而減小，半導(dǎo)體側(cè)勢(shì)壘降低。V<0，勢(shì)壘寬度xd隨V增加而增加，半導(dǎo)體側(cè)勢(shì)壘升高這種依賴于外加電壓的勢(shì)壘，稱為肖特基勢(shì)壘。最大電場(chǎng)隨反向電壓的增加而增大，正向電壓的增加而減小，且隨摻雜濃度的增加而增大；勢(shì)壘區(qū)寬度隨反向電壓的增加而增大，正向電壓的增加而減小，且隨摻雜濃度的增加而減小，注意：討論：第31頁,共65頁，星期六，2024年，5月流過勢(shì)壘的電流密度：半導(dǎo)體勢(shì)壘區(qū)與中性區(qū)存在濃度梯度，所以有擴(kuò)散電流。有外加電壓時(shí)，存在漂移電流。利用：得到：根據(jù)：第32頁,共65頁，星期六，2024年，5月同乘以得到：積分：第33頁,共65頁，星期六，2024年，5月利用邊界條件：由于隨x增加迅速減小只考慮在x=0附近2xxd＞＞x2第34頁,共65頁，星期六，2024年，5月積分，得到：其中討論：1）當(dāng)qV﹥﹥k0T，有J=JsDexp（qV/k0T），為通常情況。2）當(dāng)-qV﹥﹥k0T，則J=-JsD，不飽和，JsD隨外加電壓的升高而增加。第35頁,共65頁，星期六，2024年，5月2.熱電子發(fā)射理論假設(shè)流過勢(shì)壘的電流主要受電子越過勢(shì)壘的過程限制。適于電子的平均自由程遠(yuǎn)大于勢(shì)壘區(qū)寬度的半導(dǎo)體。平衡時(shí)，界面處半導(dǎo)體側(cè)的電子濃度:第36頁,共65頁，星期六，2024年，5月單位時(shí)間入射到單位面積上的電子數(shù)為：nVth/4，平衡時(shí)，由半→金的熱電子發(fā)射電流密度與金→半都為：第37頁,共65頁，星期六，2024年，5月當(dāng)V>0時(shí)，界面處半導(dǎo)體側(cè)勢(shì)壘高度降低,電子濃度:當(dāng)V>0時(shí)，由半→金的電子流密度:金屬一側(cè)勢(shì)壘高度不變，實(shí)際凈正向電流密度為：其中：第38頁,共65頁，星期六，2024年，5月令∴其中：第39頁,共65頁，星期六，2024年，5月3.兩個(gè)理論模型的比較1、擴(kuò)散理論的：J=J[exp(qVkT)?1]JSD不飽和，與外加電壓相關(guān)。熱電子發(fā)射理論：J=J[exp(qV/kT)?1]JsT與外加電壓無關(guān)，但強(qiáng)烈依賴于溫度。2、擴(kuò)散理論適于勢(shì)壘區(qū)寬度遠(yuǎn)大于電子的平均自由程的半導(dǎo)體,如氧化亞銅，非晶硅。熱電子發(fā)射理論適于勢(shì)壘區(qū)寬度遠(yuǎn)小于電子的平均自由程的半導(dǎo)體，如Ge、Si、GaAs等。第40頁,共65頁，星期六，2024年，5月三.理論模型與實(shí)測(cè)結(jié)果的偏差（影響因素）1.鏡像力的影響：在金屬、真空系統(tǒng)中，一個(gè)在金屬外面的電子，要在距離金屬表面同樣距離（在金屬內(nèi)部）感應(yīng)出等量的正電荷，這個(gè)正電荷稱為鏡像電荷，電子和鏡像電荷之間的吸引力稱為鏡像力。第41頁,共65頁，星期六，2024年，5月鏡像力引起的勢(shì)壘降低，并隨反向電壓的增加而增大。從而使反向電流增加。鏡像力在反向電壓比較大的情況下（—V﹤﹤VD），鏡像力效應(yīng)才比較明顯，它主要對(duì)反向特性影響大。第42頁,共65頁，星期六，2024年，5月2.隧道效應(yīng)的影響能量低于勢(shì)壘頂?shù)碾娮佑幸欢◣茁蚀┻^這個(gè)勢(shì)壘，穿過的幾率取決于電子的能量和勢(shì)壘的厚度。隧道效應(yīng)引起的勢(shì)壘降低隨反向電壓的增加而增大從而使反向電流增加。它主要對(duì)反向特性影響比較大。超薄勢(shì)壘對(duì)載流子無阻擋能力，電子可以自由穿過勢(shì)壘。通過半導(dǎo)體表面重?fù)诫s可以獲得超薄勢(shì)壘，形成隧道電流，從而制備可獲得歐姆接觸。第43頁,共65頁，星期六，2024年，5月四.肖特基勢(shì)壘二極管利用肖特基效應(yīng)由金半整流接觸制作的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管。1.特點(diǎn)（與pn結(jié)二極管相比）：

1）它是多子器件，較好的高頻特性。

2）有較低的正向?qū)妷海?.3V左右）。2.應(yīng)用：高速集成電路，微波器件等。第44頁,共65頁，星期六，2024年，5月§7.3少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸1、少數(shù)載流子的注入n型阻擋層擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)電子空穴第45頁,共65頁，星期六，2024年，5月當(dāng)正向電壓較小時(shí)，電場(chǎng)較小，漂移電流較小，J擴(kuò)>J漂

多子擴(kuò)散電流遠(yuǎn)高于少子擴(kuò)散電流，通常忽略少子擴(kuò)散電流。正向電流為多子擴(kuò)散電流?？昭娏髅芏龋寒?dāng)正向電壓足夠高時(shí)，電場(chǎng)較大，電場(chǎng)引起很大的載流子漂移電流，使得少數(shù)載流子電流在電流中起主導(dǎo)作用。第46頁,共65頁，星期六，2024年，5月對(duì)n型阻擋層，小注入時(shí)：少數(shù)載流子注入比：為了降低必須采用有高的ND

（相當(dāng)于低電阻率材料）和小的ni（相當(dāng)于寬禁帶材料）的金屬-半導(dǎo)體系統(tǒng)。第47頁,共65頁，星期六，2024年，5月2、歐姆接觸1）歐姆接觸：不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，電流在其上的產(chǎn)生的壓降遠(yuǎn)小于在器件本身上所產(chǎn)生的壓降。2）歐姆接觸的重要性：作為器件引線的電極接觸，要求在金屬和半導(dǎo)體之間形成良好的歐姆接觸。在超高頻和大功率器件中，歐姆接觸是設(shè)計(jì)和制造中的關(guān)鍵問題之一。

第48頁,共65頁，星期六，2024年，5月3）歐姆接觸的制備方法（1）選擇適當(dāng)金屬，使其和半導(dǎo)體形成反阻擋層。n型—Wm<Wsp型—Wm>Ws因半導(dǎo)體存在高密度表面態(tài)，實(shí)際很難做到形成反阻擋層。第49頁,共65頁，星期六，2024年，5月（2）利用隧道效應(yīng)——半導(dǎo)體表面高摻雜。電子遂穿勢(shì)壘的幾率取決于：電子能量和勢(shì)壘寬度。勢(shì)壘寬度：當(dāng)摻雜濃度很高時(shí)，勢(shì)壘很窄，形成很大的隧道電流：第50頁,共65頁，星期六，2024年，5月高摻雜時(shí),接觸電阻當(dāng)ND

≥1019cm?3時(shí)，接觸電阻強(qiáng)烈依賴于摻雜濃度；濃度越高，電阻越低。第51頁,共65頁，星期六，2024年，5月低、中等摻雜時(shí)，對(duì)勢(shì)壘接觸，電流適

于熱電子發(fā)射理論，接觸電阻：當(dāng)N≤1017cm?3

接觸電阻與摻雜濃度無關(guān)。第52頁,共65頁，星期六，2024年，5月形成歐姆接觸的方法

在半導(dǎo)體表面薄層形成高摻雜層，通常做成M/n+/n或M/p+/p結(jié)構(gòu)獲得良好的歐姆接觸。金屬（或合金、金屬硅化物）可采用蒸發(fā)、濺射、電鍍等。半導(dǎo)體表面粗磨或噴砂，表面形成大量復(fù)合中心。使表面耗盡區(qū)的復(fù)合成為控制電流的主要機(jī)構(gòu)，接觸電阻大大降低，近似稱為歐姆接觸。選擇低勢(shì)壘歐姆接觸。第53頁,共65頁，星期六，2024年，5月小結(jié)需掌握的公式（由n型半導(dǎo)體推導(dǎo)）：

半導(dǎo)體側(cè)勢(shì)壘高度(Wm>Ws):

金屬側(cè)勢(shì)壘高度肖特基模型巴丁模型第54頁,共65頁，星期六，2024年，5月熱電子發(fā)射理論I/V特性其中JST與外加電壓無關(guān)，但強(qiáng)烈依賴于溫度。擴(kuò)散理論I/V特性其中JSD不飽和，與外加電壓相關(guān)第55頁,共65頁，星期六，2024年，5月耗盡層寬度：勢(shì)壘區(qū)寬度隨摻雜濃度的增加而減小，隨反向電壓的增加而增大，正向電壓的增加而減小接觸電阻：高摻雜形成隧道效應(yīng)常用來制備制備歐姆，其接觸電阻隨摻雜濃度增加而減小第56頁,共65頁，星期六，2024年，5月基本概念1.表面態(tài)施主型電子占滿時(shí)呈中性，失去電子帶正電。受主型能級(jí)空時(shí)為電中性，接受電子帶負(fù)電。2.表面態(tài)能級(jí):

電子剛好填滿其下的所有態(tài)時(shí)呈中性。

EF位于以上，表面態(tài)為受主型，

EF位于以下，為施主型，3.擴(kuò)散理論適用于勢(shì)壘區(qū)寬度遠(yuǎn)大于電子的平均自由程的半導(dǎo)體。熱電子發(fā)射理論適用于勢(shì)壘區(qū)寬度遠(yuǎn)小于電子的平均自由程的半導(dǎo)體，常用半導(dǎo)體Ge、Si、GaAs適用于熱電子發(fā)射理論。第57頁,共65頁，星期六，2024年，5月基本理論金屬與n型半導(dǎo)體接觸

Wm>Ws

表面電子濃度低—阻擋層

Wm<Ws

表面電子濃度高—反阻擋金屬與P型半導(dǎo)體接觸

Wm<Ws

表面空穴濃度低—阻擋層

Wm>Ws

表面空穴濃度高—反阻擋層第58頁,共65頁，星期六，2024年，5月阻擋層的整流理論1）阻擋層具有整流特性；2）正向電流為半導(dǎo)體多子形成的電流；3）n型:金屬極加正電壓，V>0，形成電子半導(dǎo)體金屬的正向電流；電流方向：從金屬半導(dǎo)體

p型：金屬極加負(fù)電壓V<0，形成空穴由半導(dǎo)體金屬的正向電流；正向電流方向：半導(dǎo)體金屬鏡象力和隧道效應(yīng)均對(duì)反向特性的影響顯著，勢(shì)壘降低使反向電流增大。第59頁,共65頁，星期六，2024年，5月作業(yè)P1943，4，7，8.第60頁,共65頁，星期六，2024年，5月課堂思考題金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)是如何定義的？半導(dǎo)體的功函數(shù)與哪些因素有關(guān)？分析n型和p型半導(dǎo)體形成阻擋層于反阻擋層的條件。分別畫出半導(dǎo)體與金屬接觸時(shí)的能帶圖（分為Ws＞W(wǎng)m和Ws＜Wm，并忽略表面態(tài)的影響）什么叫歐姆接觸？金屬與重?fù)诫s的半導(dǎo)體能形成歐姆接觸，簡(jiǎn)單其物理原理。什么叫少數(shù)載流子注入效應(yīng)？鏡像力和隧道效應(yīng)如何影響金-半接觸勢(shì)壘的？比較擴(kuò)散理論和熱電子發(fā)射理論在解決肖特基二極管整流特性時(shí)區(qū)別在什么地方？畫圖說明肖特基勢(shì)壘高度，并指出在一般情況下，它與哪些物理量有關(guān)？第61頁,共65頁，星期六，2024年，5月習(xí)題課例1設(shè)p型硅NA=1017/cm3，試求:(1)室溫下費(fèi)米能級(jí)的位置和功函數(shù)（2）不計(jì)表面態(tài)的影響，求該p型硅分別與鉑（Pt）和銀（Ag）接觸后是否形成阻擋層？（3）如果能形成阻擋層，求半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度。已知：WAg