第七章-金属和半导体的接触.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 七 章,金 属 和 半 导 体 的 接 触,Metal-Semiconductor Contact,7.1,金属,-,半导体接触及其能带图,一、概述：,1,、在微电子和光电子器件中，半导体材料和,金属,、,半导体,以及,绝缘体,的各种接触是普遍存在的，如,MOS,器件、肖特基二极管、气体传感器等。薄膜技术及纳米技术的发展，使得,界面接触,显得更加重要。,二、金属和半导体的功函数,W,m,、,W,s,1,、金属的功函数,W,m,表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到表面外的真空中所需要的,最小能量,。,E,0,(E,F,),m,W,m,功函数大小标致电子在金属中被束缚的强弱,2,、半导体的功函数,W,s,E,0,与费米能级之差称为半导体,的功函数。,用,表示从,E,c,到,E,0,的能量间隔,：,称,为电子的,亲和能,，它表示要使半导体,导带,底,的电子逸出体外所需要的,最小,能量。,E,c,(E,F,),s,E,v,E,0,W,s,E,n,N,型半导体：,式中：,P,型半导体：,式中：,Note:,和金属不同的是，半导体的费米能级随杂质浓度变化，所以，,Ws,也和,杂质浓度,有关。,故常用亲和能表征半导体,半导体,金属,半导体,金属,能带结构发生变化,新的物理效应,和应用,3,、金属,/,半导体接触,(,理想接触）,三、金属与半导体的接触及接触电势差,1.,阻挡层接触,金,属,n,半导,体,设想有一块金属和一块,n,型,半导体，并假定,金属的功函数大于半导体的功函数，即：,即半导体的费米能,E,Fs,高于金属的费米能,E,Fm,金属的传导电子的浓度,很高,，,10,22,10,23,cm,-3,半导体载流子的浓度比,较低,，,10,10,10,19,cm,-3,金属半导体接触前后,能带图,的变化：,接触后,，金属和半导体的费,米能级应该在同一水平，半导体的导带电子,必然,要流向金属，而达到统一的费米能,接触前,，半导体的费米能,级高于金属（相对于真空,能级），所以半导体导带,的电子有向金属流动的,可,能,W,m,E,Fm,W,s,E,0,E,c,E,Fs,E,v,接触前,接触后,qV,D,E,F,E,F,E,v,E,c,x,d,E,0,在接触开始时，金属和半导体的间距大于原子的,间距，在两类材料的表面形成电势差,Vms,。,接触电势差,：,紧密接触,后，电荷的流动使得在半导体表面相当,厚的一层形成正的,空间电荷区,。空间电荷区形成,电场，其电场在界面处造成,能带弯曲,，使得半导,体表面和内部存在,电势差,，即,表面势,Vs,。接触电,势差分降在,空间电荷区,和金属与半导体,表面之间,。但当忽略接触间隙时，电势主要降在,空间电荷,区,。,现在考虑忽略间隙中的电势差时的,极限情形,:,半导体一边的势垒高度为：,金属一边的势垒高度为：,半导体体内电场为零，在空间电荷区电场方向,由内向外,，半导体表面势,V,s,0,E,F,E,v,qV,D,E,c,E,电场,在势垒区，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度比体内小得多，是一个,高阻区域,，称为,阻挡层,。界面处的势垒通常称为,肖特基势垒。,E,F,E,v,qV,D,E,c,E,电场,所以：,金属与,N,型,半导体接触时,，若,WmWs,，即半导体,的费米能级高于金属，电,子向金属流动，稳定时系,统费米能级统一，在半导,体表面层形成,正的空间,电荷区,，能带向上弯曲，,形成电子的表面势垒。,2,.,反阻挡层接触,设想有一块金属和一块,n,型,半导体，并假定,金属的功函数小于半导体的功函数，即：,即半导体的费米能,E,Fs,低于金属的费米能,E,Fm,金属和半导体接触时，电子将从金属流向半导体，在半导体表面形成负的空间电荷区，,电场,方向由表面,指向体内,，,Vs0,能带向下弯曲,。在表面的空间电荷区，电子浓度高于体内，高电导区，称为,反阻挡层,。,金属与,P,型,半导体接触时，若,W,m,W,s,，即金属的费米能级比半导体的费米能级高，半导体的,多子空穴,流向金属，使得金属表面带正电，半导体表面带,负电,，半导体表面能带,向下弯曲,，形成空穴的表面势垒。,金属,p,型,半导体接触的阻挡层,在半导体的势垒区，,空间电荷,主要由负的电离受,主形成，其多子空穴浓度比体内小得多，也是一,个高阻区域，形成空穴,阻挡层,。,金属和,p,型,半导体,W,m,W,s,，即金属的费米能级比半导体的费米能级低，半导体的,电子,流向金属，使得金属表面带负电，半导体表面带,正电,，半导体表面能带,向上弯曲,。在半导体表面的多子（空穴）浓度较大，高电导区，形成,反阻挡层,。,3,、金属半导体接触的,阻挡层,所谓,阻挡层,，在半导体的势垒区，形成的,空间电,荷区，它,主要由,正,的电离施主杂质或,负,的电离受,主形成，其多子电子或空穴浓度比体内小得多，,是一个高阻区域，在这个区域能带向上或向下弯,曲形成电子或空穴的,阻挡,。,金属与,N,型,半导体，,WmWs,金属与,P,型,半导体,WmW,s,电子的阻挡层,整流接触,W,s,W,m,电子的反阻挡层,欧姆接触,理想接触,实际接触,7.2,金,-,半接触整流理论,1,、,阻挡层,的整流特性,外加电压对阻挡层,（,高阻层,）的作用,加上,正向,电压,(,金属一边为正,),时：,由于阻挡层是个高电阻区域，外加电压主要,降落在,阻挡层上,。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；,电流为：,进一步增加正向电压：,qV,D,1,=qV,D,-V,qV,x,d,E,F,势垒高度进一步减低，势垒宽度减薄，,多子导电,变强,。正向导电，电流很强。,加上,反向电压,（金属一边为,负,）时：,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；,由于阻挡层是个高电阻区域，外加电压主要,降落在,阻挡层上,。金属一侧的势垒高度没有变化,2,、,整流理论,定量,V-I,特性的表达式,（,1,）扩散理论,Diffusion Theory,势垒宽度比载流子的平均自由程大得多，即,势垒区是耗尽区；,半导体是非简并的,(2),简化模型,：势垒高度,qV,D,k,0,T,时,，,势垒区,内,的载流子浓度,0,耗尽,区,E,F,0,d,X,V,0,metal,semiconductor,Space charge region,N,型半导体的耗尽层,在势垒区边界，电子的浓度分别为：,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,；,扩散方向与漂移方向,相反,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,3,、势垒宽度与外加电压的关系,势垒区的宽度：,1,、无外加电压，即,2,、有外加电压，即,V 0,，,d,正,正向电压,使势垒区变窄,V,势垒顶部时，电子可以自由越过势垒进入另一边。电流的计算即,求越过势垒的载流子数目。,热电子发射理论,当,n,型阻挡层,很薄,时，即电子的平均自由程大于,势垒宽度。扩散理论不再适合了。,电子通过势,垒区的碰撞可以忽略。,1,、热电子发射理论的适用范围,l,n,d,适用于薄阻挡层,势垒高度,k,0,T,非简并半导体,2,、热电子发射理论的基本思想,薄阻挡层，势垒高度起主要作用。,能够越过势垒的电子才对电流有贡献,计算超越势垒的载流子数目，从而求出电流密度,3,、势垒区的伏安特性,半导体一侧，只有能量大于势垒的电子才能越过势垒：,根据麦克斯韦分布可求得,中的电子数：,规定电流的,正方向,是从金属到半导体,电子流密度方向和电流方向相反,Js,m,时（正向电流）,E,F,V,x,电子的,状态密度,和,分布函数,能够运动到,-,界面的电子数为：,Jm,s,时（反向电流）,ns,是,金属一边的电子势垒,总的电流密度,J,讨论：,扩散理论：,两种理论都得出电流和外加电压近似成,指数,关系,热电子发射理论：,Ge,、,Si,、,GaAs,都有,较高的载流子迁移率,，即较,大的平均自由程，在室温时，其肖特基势垒中的,电流输运机构，主要是多数载流子的,热电子发射,扩散理论热,热电子发射理论,厚阻挡层,电流源于半导体一侧电子的漂移或扩散,薄阻挡层,电流源于越过势垒的电子,7,.3,少数载流子的注入和欧姆接触,1,、少数载流子的,注入,对,n,型阻挡层,，对少子,空穴,就是积累层，在势垒区表面空穴浓度最大，,由表面向内部扩散，平衡时,被电场抵消。在,正向电压,时，产生和电子电流方向一致的。故部分正向电流由少子贡献。,E,V,首先,决定于阻挡层中空穴的浓度，在势垒很高的情况下,，接触表面的空穴浓度会很高。,其次,还要受扩散能力的影响。在加正向电压时，空穴流,向半导体体内，,不能立即复合,，要在阻挡层形成一定的,积累，然后靠,扩散,进入半导体体内。,所以有,：,注入比,r,：即在加正向电压时，少子电流和总电流的比,在大电流时，注入比随电流密度的增加而增大。,少子空穴,电流的大小：,Page 236,2,、欧姆接触,定义,：,金,/,半接触的,非整流接触，,即不产生明显的附加电阻，不会使半导体体内的平衡载流子浓度发生明显的改变。,应用：,半导体器件中利用电极进行电流的输入和输出,就要求金属和半导体接触形成良好的欧姆接触。在超,高频和大功率的器件中，欧姆接触时设计和制造的关,键。,实现：,不考虑表面态的影响，金半接触形成,反阻挡层,，,就可以实现欧姆接触。实际中，由于有很高的表面态，,主要用,隧道效应实现,半导体制造的欧姆接触。,半导体,重掺杂,导致明显的,隧穿电流,，而实现,欧姆接触：,半导体掺杂浓度很高时，金半接触的势垒区的宽度变,得,很薄,，电子会通过隧道效应穿过势垒产生相当大的,隧穿电流，甚至会超过,热电子发射,电流成为电流的主,要部分。当隧穿电流占主要成份时，接触电阻会很小，,可以用作欧姆接触。,常用的方法,：在,n,型或,p,型半导体上制作一层重掺杂,区再与金属接触，形成金属,n,+,n,或金属,p,+,p,结构。,使得金属的选择很多。电子束和热,蒸发,、,溅射,、,电镀,。,1,、功函数：功函数的定义是,E,0,与,E,F,能量之差，,用,W,表示。即,半导体的功函数可以写成,本 章 小 结,半导体的费米能级随掺杂的变化而变化，因此，半导体的功函数也会变化,2,、接触电势差：,金属半导体接触，由于,Wm,和,Ws,不同，会产生接,触电势差,V,ms,。同时半导体能带发生弯曲，使其表,面和内部存在电势差,V,，即表面势,V,，因而：,紧密接触时：,典型金属半导体接触有两类：一类是整流接触，,形成阻挡层，即,肖特基接触,；一类是非整流接,触，形成反阻挡层，即,欧姆接触,。,N,型,P,型,W,m,W,s,阻挡层,反阻挡层,W,m,0,时，若,qV,kT,，其电流,电压特性为：,其中：,当,VkT,，则：,J,sd,随电压变化，并不饱和,（,2,）、热电子发射理论：,电流,-,电压特性为,J,ST,与外加电压无关，但强烈依赖于温度,Ge,，,Si,，,GaAs,具有较高的载流子迁移率，即有,较大的平均自由程，因而在室温下，这些半导,体材料的肖特基势垒中的电流输运机构主要是,热电子发射,。,4,、镜像力和隧道效应的影响,:,镜像力和隧道效应对反向特性有显著影响，它,们引起势垒高度的降低，使,反向电流,增加。,5,、少数载流子的注入,:,在金属和,n,型半导体的整流接触上加正向电压时，,就有空穴从金属流向半导体，这种现象称为,少数,载流子的注入,。少数载流子电流与总电流之比称,为少数载流子注入比，用,表示。,对,n,型阻挡层,6,、欧姆接触特性和制作,欧姆接触可以通过金属半导体形成反阻挡层或隧,道效应制造。实际生产中，主要利用隧道效应在,半导体上制造欧姆接触。,V,J,1,、施主浓度,N,D,=10,17,cm,-3,的,n,型,Si,，,室温,下,功函数,是多少？若不考虑表面态的影响，它分别和,Al,Au,Mo,接触时形成,阻挡层还是反阻挡层,？,Si,的电子,亲和能,取,4.05eV.,设,W,Al,=4.18eV,W,Au,=5.20eV,W,Mo,=4.21eV.,解：室温下杂质全电离，则：,解得,E,n,=0.15,eV,故,W,=4.05+0.15=4.20,eV,已知,W,Al,=4.18eV W,所以两者接触形成反阻挡层,而,W,Au,和,W,Mo,均大于,W,，所以均形成,阻挡层,习 题 选 讲：,2,、电阻率为,10cm,的,n,型,Ge,和金属接触形成的,肖特基势垒高度为,0.3eV,求加上,5V,反向电压时的,空间电荷层厚度。,解：,对于,N,型锗，当,=10cm,时，,n,=3900cm,2,/(Vs),=1/(nqn),N,D,=,=1.610,14,cm,-3,rs,=16,0,=8.8510,-14,F/cm,空间电荷层厚度,为,7.66,纳米,Page 238:,3,、,4,、,6,、,7,、,8,本 章,习 题,：（共五题）,With,no,barrier between us,keep contact,and exchange our experiences and knowledge!,