金屬和半導(dǎo)體的接觸.ppt

1、第 七 章,金 屬 和 半 導(dǎo) 體 的 接 觸 Metal-Semiconductor Contact,7.1 金屬-半導(dǎo)體接觸及其能帶圖,一、概述：,1、在微電子和光電子器件中，半導(dǎo)體材料和金屬、半導(dǎo)體以及絕緣體的各種接觸是普遍存在的，如MOS器件、肖特基二極管、氣體傳感器等。薄膜技術(shù)及納米技術(shù)的發(fā)展，使得界面接觸顯得更加重要。,二、金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)Wm 、Ws,1、金屬的功函數(shù)Wm,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。,功函數(shù)大小標(biāo)致電子在金屬中被束縛的強(qiáng)弱,2、半導(dǎo)體的功函數(shù)Ws,E0與費(fèi)米能級(jí)之差稱(chēng)為半導(dǎo)體 的功函數(shù)。,用表示從Ec到

2、E0的能量間隔：,稱(chēng)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。,Note: 和金屬不同的是，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)隨雜質(zhì)濃度變化，所以，Ws也和雜質(zhì)濃度有關(guān)。,故常用親和能表征半導(dǎo)體,3、金屬/半導(dǎo)體接觸(理想接觸）,三、金屬與半導(dǎo)體的接觸及接觸電勢(shì)差,1. 阻擋層接觸,即半導(dǎo)體的費(fèi)米能EFs 高于金屬的費(fèi)米能EFm,金屬的傳導(dǎo)電子的濃度 很高，10221023cm-3 半導(dǎo)體載流子的濃度比 較低，10101019cm-3,金屬半導(dǎo)體接觸前后能帶圖的變化：,在接觸開(kāi)始時(shí)，金屬和半導(dǎo)體的間距大于原子的 間距，在兩類(lèi)材料的表面形成電勢(shì)差Vms。,接觸電勢(shì)差：,緊密接觸后，電

3、荷的流動(dòng)使得在半導(dǎo)體表面相當(dāng) 厚的一層形成正的空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)形成 電場(chǎng)，其電場(chǎng)在界面處造成能帶彎曲，使得半導(dǎo) 體表面和內(nèi)部存在電勢(shì)差，即表面勢(shì)Vs。接觸電 勢(shì)差分降在空間電荷區(qū)和金屬與半導(dǎo)體表面之間 。但當(dāng)忽略接觸間隙時(shí)，電勢(shì)主要降在空間電荷 區(qū)。,現(xiàn)在考慮忽略間隙中的電勢(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：,半導(dǎo)體體內(nèi)電場(chǎng)為零，在空間電荷區(qū)電場(chǎng)方向由內(nèi)向外，半導(dǎo)體表面勢(shì)Vs0,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(chēng)為阻擋層。界面處的勢(shì)壘通常稱(chēng)為肖特基勢(shì)壘。,2. 反阻擋層接觸,設(shè)想有一塊金屬和一塊n型半導(dǎo)體，并假定

4、 金屬的功函數(shù)小于半導(dǎo)體的功函數(shù)，即：,即半導(dǎo)體的費(fèi)米能EFs低于金屬的費(fèi)米能EFm,金屬和半導(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)，Vs0, 能帶向下彎曲。在表面的空間電荷區(qū)，電子濃度高于體內(nèi)，高電導(dǎo)區(qū)，稱(chēng)為反阻擋層。,金屬與P型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若WmWs，即金屬的費(fèi)米能級(jí)比半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)高，半導(dǎo)體的多子空穴流向金屬，使得金屬表面帶正電，半導(dǎo)體表面帶負(fù)電，半導(dǎo)體表面能帶向下彎曲，形成空穴的表面勢(shì)壘。,金屬p型半導(dǎo)體接觸的阻擋層,在半導(dǎo)體的勢(shì)壘區(qū)，空間電荷主要由負(fù)的電離受 主形成，其多子空穴濃度比體內(nèi)小得多，也是一 個(gè)高阻區(qū)域，形成空穴阻擋層

5、。,金屬和p型半導(dǎo)體WmWs 空穴阻擋層,半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度是：qVD=Ws-Wm,金屬p型半導(dǎo)體接觸的反阻擋層,金屬與P型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若WmWs，即金屬的費(fèi)米能級(jí)比半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)低，半導(dǎo)體的電子流向金屬，使得金屬表面帶負(fù)電，半導(dǎo)體表面帶正電，半導(dǎo)體表面能帶向上彎曲。在半導(dǎo)體表面的多子（空穴）濃度較大，高電導(dǎo)區(qū)，形成反阻擋層。,3、金屬半導(dǎo)體接觸的阻擋層,所謂阻擋層，在半導(dǎo)體的勢(shì)壘區(qū)，形成的空間電 荷區(qū)，它主要由正的電離施主雜質(zhì)或負(fù)的電離受 主形成，其多子電子或空穴濃度比體內(nèi)小得多， 是一個(gè)高阻區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域能帶向上或向下彎 曲形成電子或空穴的阻擋。,表面態(tài)就是局域在表面附近的新電子態(tài)

6、。它的存 在導(dǎo)致表面能級(jí)的產(chǎn)生。 表面能級(jí)：與表面態(tài)相應(yīng)的能級(jí)稱(chēng)為表面能級(jí)。,由于晶體的不完整性使得勢(shì)場(chǎng)的周期性受到破壞 ，在禁帶中產(chǎn)生附加能級(jí)。,理想晶體自由表面達(dá)姆表面能級(jí)(1932年) 晶體表面缺陷或吸附原子附加表面能級(jí),四、表面態(tài)對(duì)接觸勢(shì)壘的影響,實(shí)驗(yàn)表明，金半接觸時(shí)的勢(shì)壘高度受金屬功函數(shù) 的影響很小。這是由于半導(dǎo)體表面存在表面態(tài)造 成的。, 電子剛好填滿EFS0 以下的所有表面態(tài)時(shí)，則 表面呈電中性,表面態(tài)局域電子的特性。 當(dāng)EFS0 以下的表面態(tài)空著時(shí)，即沒(méi)有被電子占據(jù) 時(shí)，表面呈正電，為施主型； EFS0上面表面態(tài)被電子占據(jù)時(shí)，半導(dǎo)體表面為 負(fù)電，是受主型。,設(shè)一個(gè)n型半導(dǎo)體的表

7、面存在表面態(tài)。半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)EF 高于表面能級(jí)Efs，如果Efs以上存在受主表面態(tài)，則會(huì)導(dǎo)致如下效應(yīng)：（接觸前后）,由于表面勢(shì)的存在，半導(dǎo)體表面和體內(nèi)進(jìn)行電子 交換。如果表面態(tài)能級(jí)在EF和Efs之間就會(huì)被電子 填滿，表面帶負(fù)電，所以半導(dǎo)體表面附近會(huì)出現(xiàn) 正電荷，形成正的空間電荷區(qū)，形成電子的勢(shì)壘， 即不和金屬接觸也形成電子勢(shì)壘。,1、金屬半導(dǎo)體接觸前：,不存在表面態(tài)時(shí)，Ws=+En，存在表面態(tài)時(shí)，功函數(shù)要有相應(yīng)的改變，加上qVD=EF0-EFs0的效應(yīng)。,2、金屬與半導(dǎo)體接觸后,（1）接觸后，表面態(tài)提供電子 流向金屬，半導(dǎo)體表面態(tài) 密度很高時(shí)，只轉(zhuǎn)移表面態(tài)電子就可以讓系統(tǒng)達(dá)到平衡,接觸前后，

8、半導(dǎo)體空間電荷分布不發(fā)生變化， 表面勢(shì)不變,（2）表面態(tài)密度較大，表面、體內(nèi)電子均轉(zhuǎn)移,表面態(tài)中的電子和半導(dǎo)體體內(nèi)的電子都要向金屬轉(zhuǎn)移，才能使系統(tǒng)平衡。,金屬功函數(shù)對(duì)勢(shì)壘有影響，但影響不大實(shí)際情況,金屬的功函數(shù)決定接觸類(lèi)型及勢(shì)壘高度,由于存在表面態(tài)，接觸時(shí)總是形成勢(shì)壘，且勢(shì)壘高度受金屬功函數(shù)影響不大,W mWs 電子的阻擋層 整流接觸 W sWm 電子的反阻擋層 歐姆接觸,理想接觸,實(shí)際接觸,7.2 金-半接觸整流理論,1、阻擋層的整流特性 外加電壓對(duì)阻擋層 （高阻層）的作用,加上正向電壓 (金屬一邊為正)時(shí)：,由于阻擋層是個(gè)高電阻區(qū)域，外加電壓主要降落在阻擋層上。金屬一側(cè)的勢(shì)壘高度沒(méi)有變化,

9、外加電壓削弱了內(nèi)建電場(chǎng)的作用，半導(dǎo)體勢(shì)壘降低；,電流為：,進(jìn)一步增加正向電壓：,勢(shì)壘高度進(jìn)一步減低，勢(shì)壘寬度減薄，多子導(dǎo)電變強(qiáng)。正向?qū)щ?，電流很?qiáng)。,加上反向電壓（金屬一邊為負(fù)）時(shí)：,外加電壓增強(qiáng)了內(nèi)建電場(chǎng)的作用，勢(shì)壘區(qū)電勢(shì)增強(qiáng)，勢(shì)壘增高；,由于阻擋層是個(gè)高電阻區(qū)域，外加電壓主要降落在阻擋層上。金屬一側(cè)的勢(shì)壘高度沒(méi)有變化,2、整流理論定量V-I特性的表達(dá)式,（1）擴(kuò)散理論 Diffusion Theory,勢(shì)壘寬度比載流子的平均自由程大得多，即,勢(shì)壘區(qū)是耗盡區(qū)； 半導(dǎo)體是非簡(jiǎn)并的,在勢(shì)壘區(qū)邊界，電子的濃度分別為：,電子從體內(nèi)向界面處擴(kuò)散； 在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子做漂移運(yùn)動(dòng)；,擴(kuò)散方向與漂移方

10、向相反,無(wú)外加電壓： 擴(kuò)散與漂移相互抵消平衡； 反向電壓： 漂移增強(qiáng)反偏； 正向電壓： 擴(kuò)散增強(qiáng)正偏,3、勢(shì)壘寬度與外加電壓的關(guān)系,勢(shì)壘區(qū)的寬度：,1、無(wú)外加電壓，即,2、有外加電壓，即,V 0， d 正正向電壓使勢(shì)壘區(qū)變窄 V0， d 負(fù)反向電壓使勢(shì)壘區(qū)變寬,勢(shì)壘的高度和寬度都隨外加電壓變化：,求通過(guò)勢(shì)壘的電流密度為漂移電流和 擴(kuò)散電流之和：,J,將,帶入上式得,J,解上方程并代入邊界條件：,其中，,該理論是用于遷移率較小，平均自由程較短的半導(dǎo)體，如氧化亞銅。,7.2.2 熱電子發(fā)射理論,當(dāng)n型阻擋層很薄時(shí)，即電子的平均自由程大于 勢(shì)壘寬度。擴(kuò)散理論不再適合了。電子通過(guò)勢(shì) 壘區(qū)的碰撞可以忽略

11、。,1、熱電子發(fā)射理論的適用范圍,ln d,適用于薄阻擋層,勢(shì)壘高度,k0 T,非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體,2、熱電子發(fā)射理論的基本思想,薄阻擋層，勢(shì)壘高度起主要作用。,能夠越過(guò)勢(shì)壘的電子才對(duì)電流有貢獻(xiàn) 計(jì)算超越勢(shì)壘的載流子數(shù)目，從而求出電流密度,3、勢(shì)壘區(qū)的伏安特性,半導(dǎo)體一側(cè)，只有能量大于勢(shì)壘的電子才能越過(guò)勢(shì)壘：,根據(jù)麥克斯韋分布可求得,中的電子數(shù)：,規(guī)定電流的正方向是從金屬到半導(dǎo)體,電子流密度方向和電流方向相反, Jsm時(shí)（正向電流）,電子的狀態(tài)密度和分布函數(shù),能夠運(yùn)動(dòng)到-界面的電子數(shù)為：, Jms時(shí)（反向電流）,ns是金屬一邊的電子勢(shì)壘, 總的電流密度J, 討論：,熱電子發(fā)射理論：,Ge、Si、Ga

12、As都有較高的載流子遷移率，即較 大的平均自由程，在室溫時(shí)，其肖特基勢(shì)壘中的 電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)，主要是多數(shù)載流子的熱電子發(fā)射,擴(kuò)散理論熱,熱電子發(fā)射理論,厚阻擋層 電流源于半導(dǎo)體一側(cè)電子的漂移或擴(kuò)散,薄阻擋層 電流源于越過(guò)勢(shì)壘的電子,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,對(duì)n型阻擋層，對(duì)少子空穴 就是積累層，在勢(shì)壘區(qū)表面空穴濃度最大，,由表面向內(nèi)部擴(kuò)散，平衡時(shí) 被電場(chǎng)抵消。在正向電壓時(shí)，產(chǎn)生和電子電流方向一致的。故部分正向電流由少子貢獻(xiàn)。,首先決定于阻擋層中空穴的濃度，在勢(shì)壘很高的情況下 ，接觸表面的空穴濃度會(huì)很高。 其次還要受擴(kuò)散能力的影響。在加正向電壓時(shí)，空穴流 向半導(dǎo)體體

13、內(nèi)，不能立即復(fù)合，要在阻擋層形成一定的 積累，然后靠擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體體內(nèi)。,所以有：,注入比r： 即在加正向電壓時(shí)，少子電流和總電流的比,在大電流時(shí)，注入比隨電流密度的增加而增大。,少子空穴電流的大?。?Page 236,2、歐姆接觸,定義：金/半接觸的非整流接觸，即不產(chǎn)生明顯的附加電阻，不會(huì)使半導(dǎo)體體內(nèi)的平衡載流子濃度發(fā)生明顯的改變。,應(yīng)用：半導(dǎo)體器件中利用電極進(jìn)行電流的輸入和輸出 就要求金屬和半導(dǎo)體接觸形成良好的歐姆接觸。在超 高頻和大功率的器件中，歐姆接觸時(shí)設(shè)計(jì)和制造的關(guān) 鍵。,實(shí)現(xiàn)：不考慮表面態(tài)的影響，金半接觸形成反阻擋層， 就可以實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。實(shí)際中，由于有很高的表面態(tài)， 主要用隧道效

14、應(yīng)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制造的歐姆接觸。,半導(dǎo)體重?fù)诫s導(dǎo)致明顯的隧穿電流，而實(shí)現(xiàn) 歐姆接觸：,半導(dǎo)體摻雜濃度很高時(shí)，金半接觸的勢(shì)壘區(qū)的寬度變 得很薄，電子會(huì)通過(guò)隧道效應(yīng)穿過(guò)勢(shì)壘產(chǎn)生相當(dāng)大的 隧穿電流，甚至?xí)^(guò)熱電子發(fā)射電流成為電流的主 要部分。當(dāng)隧穿電流占主要成份時(shí)，接觸電阻會(huì)很小， 可以用作歐姆接觸。,常用的方法：在n型或p型半導(dǎo)體上制作一層重?fù)诫s 區(qū)再與金屬接觸，形成金屬n+n 或金屬p+p 結(jié)構(gòu)。 使得金屬的選擇很多。電子束和熱蒸發(fā)、濺射、電鍍。,1、功函數(shù)：功函數(shù)的定義是E0與EF能量之差， 用W表示。即,半導(dǎo)體的功函數(shù)可以寫(xiě)成,本 章 小 結(jié),半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)隨摻雜的變化而變化，因此，半導(dǎo)體的

15、功函數(shù)也會(huì)變化,2、接觸電勢(shì)差：,金屬半導(dǎo)體接觸，由于Wm和Ws不同，會(huì)產(chǎn)生接 觸電勢(shì)差Vms。同時(shí)半導(dǎo)體能帶發(fā)生彎曲，使其表 面和內(nèi)部存在電勢(shì)差V，即表面勢(shì)V，因而：,緊密接觸時(shí)：,典型金屬半導(dǎo)體接觸有兩類(lèi)：一類(lèi)是整流接觸， 形成阻擋層，即肖特基接觸；一類(lèi)是非整流接 觸，形成反阻擋層，即歐姆接觸。,形成n型和p型阻擋層的條件,3、金屬半導(dǎo)體接觸整流特性：,在金屬半導(dǎo)體接觸中，金屬一側(cè)勢(shì)壘高度不隨外 加電壓而變，半導(dǎo)體一側(cè)勢(shì)壘高度與外加電壓相 關(guān)。因此，當(dāng)外加電壓使半導(dǎo)體一側(cè)勢(shì)壘高度降 低時(shí)，形成從半導(dǎo)體流向金屬的凈離子流密度， 且隨外加電壓而變化； 反之，則是從金屬到半導(dǎo)體的離子流密度，該電

16、 流較小。且與外加電壓幾乎無(wú)關(guān)。這就是金屬半 導(dǎo)體接觸整流特性。,擴(kuò)散理論、熱電子發(fā)射理論計(jì)算肖特基接觸的 電流-電壓特性，前者適用于勢(shì)壘區(qū)寬度比電子 的平均自由程大很多的半導(dǎo)體材料（即低遷移 率材料）；后者適用于薄阻擋層，電子的平均 自由程遠(yuǎn)大于勢(shì)壘區(qū)寬度（高遷移率材料）。,兩 種 理 論：,（1）、擴(kuò)散理論：,當(dāng)V0時(shí)，若qVkT，其電流電壓特性為：,其中：,當(dāng)VkT，則 ：,Jsd隨電壓變化，并不飽和,（2）、熱電子發(fā)射理論：,電流-電壓特性為,JST與外加電壓無(wú)關(guān)，但強(qiáng)烈依賴(lài)于溫度,Ge，Si，GaAs具有較高的載流子遷移率，即有 較大的平均自由程，因而在室溫下，這些半導(dǎo) 體材料的肖特

17、基勢(shì)壘中的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)主要是 熱電子發(fā)射。,4、鏡像力和隧道效應(yīng)的影響 :,鏡像力和隧道效應(yīng)對(duì)反向特性有顯著影響，它 們引起勢(shì)壘高度的降低，使反向電流增加。,5、少數(shù)載流子的注入:,在金屬和n型半導(dǎo)體的整流接觸上加正向電壓時(shí)， 就有空穴從金屬流向半導(dǎo)體，這種現(xiàn)象稱(chēng)為少數(shù) 載流子的注入。少數(shù)載流子電流與總電流之比稱(chēng) 為少數(shù)載流子注入比，用表示。對(duì)n型阻擋層,6、歐姆接觸特性和制作,歐姆接觸可以通過(guò)金屬半導(dǎo)體形成反阻擋層或隧 道效應(yīng)制造。實(shí)際生產(chǎn)中，主要利用隧道效應(yīng)在 半導(dǎo)體上制造歐姆接觸。,1、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,Mo接觸時(shí)形成阻擋層還是反阻擋層？Si的電子親和能取4.05eV.設(shè) WAl=4.18eV, WAu=5.20eV, WMo=4.21eV.,解：室溫下雜質(zhì)全電離，則：,已知WAl=4.18eV W,所以?xún)烧呓佑|形