第七章-金属和半导体的接触-PPT.pptx

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,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,1,、,金属与半导体形成得肖持基接触与欧姆接触,阻挡层与反阻挡层得形成;,2,、,肖特基接触得电流,电压特性,扩散理论与热电子发射理论,即肖特基势垒得定量特性;(详细阐述),3,、欧姆接触得特性。,主要内容(三大点,约,10,课时):,2,、,MESFET(metal-semiconductor field-effect,transistor),具有与,MOSFET,相似得电流电压,特性,但在器件得栅,(gate),上电极部分利用金属,半导体得整流接触取代了,MOSFET,得,MOS,结,构;用欧姆接触取代,MOSFET,得,p-n,结。,7、1,金属,-,半导体接触与能级图,一、概述:,1,、在微电子与光电子器件中,半导体材料与金属、半导体以及绝缘体得各种接触就是普遍存在得,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得发展,使得界面接触显得更加重要。,3,、第一个实际的半导体器件就是点接触整流性,的金半接触，就是将细须状金属压在半导体表面,。从,1904,年起，该器件有许多不同的应用。,1938,年，,Schottky,提出其整流作用，可能由半导体中稳定的空间电荷区所产生的电势能差引起的，由此所建立的模型称肖特基势垒（,Schottky barrier).,4,、两个要点:,功函数与禁带宽度得不同金属,/,半导体接触能带图得变化;,肖特基接触得整流特性即电流电压,I-V,特性。,二、金属与半导体得功函数,W,m,、,W,s,1,、金属得功函数,W,m,表示一个起始能量等于费米能级得电子,由金属内部逸出到表面外得真空中所需要得,最小能量,。,E,0,(E,F,),m,W,m,E,0,为真空中静止电子的能量，又称为真空能级。,金属铯,Cs,得功函数最低,1、93eV,Pt,最高为,5、36eV,2,、半导体得功函数,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,为电子得,亲与能,它表示要使半导体,导带,底,得电子逸出体外所需要得,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:,与金属不同得就是,半导体得费米能级随杂质浓度变化,所以,Ws,也与杂质浓度有关,。,E,c,(,E,F,),s,E,v,E,0,W,s,E,n,半导体,金属,半导体,金属,What?,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,三、金属与半导体得接触及接触电势差,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：,（,1,）,即半导体的费米能,E,Fs,高于金属的费米能,E,Fm,金属得传导电子得浓度,很高,10,22,10,23,cm,-3,半导体载流子得浓度比,较低,10,10,10,19,cm,-3,大家学习辛苦了，还是要坚持,继续保持安静,金属半导体接触前后能带图得变化:,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,金属与半导体得间距大于原子得,间距,在两类材料得表面形成电势差,Vms,。,接触电势差：,紧密接触,后,电荷得流动使得在半导体表面相当,厚得一层形成正得空间电荷区。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,体表面与内部存在电势差,即,表面势,Vs,。接触电,势差分降在空间电荷区与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得电势差时得,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,就是一个高阻区域,称为阻挡层。界面处得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,体表面一层形成正的空间,电荷区，能带向上弯曲，,形成电子的表面势垒。,金属与,P,型半导体接触时,若,W,m,W,s,即金属得费米能级比半导体得费米能级高,半导体得多子空穴流向金属,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,形成空穴得表面势垒。,(,2,)金属,p,型半导体接触得阻挡层,在半导体得势垒区,空间电荷主要由负得电离受,主形成,其多子空穴浓度比体内小得多,也就是一,个高阻区域,形成空穴阻挡层。,金属与,p,型半导体,W,m,Ws,金属与,P,型半导体,WmWs,阻挡层,2、,反阻挡层接触,金属与,N,型半导体接触时,若,Wm0,能带向,下弯曲。这里电子浓度比体内大得多,因而就是一,个高电导得区域,称之为反阻挡层,即电子反阻,挡层。,(,1,)金属与,N,型半导体接触,W,m,E,Fm,W,s,E,0,E,c,E,Fs,E,v,E,E,c,E,Fs,E,v,金属,/n,型半导体接触前后电子反阻挡层形成能带图得变化:,在半导体表面,能带向下弯曲,相当有个电子得,势阱,多子电子得浓度比体内大得多,就是一个高通,区,即电子得反阻挡层高导通区。(很薄！),(,2,)金属与,P,型半导体接触,金属与,P,型半导体接触时,若,WmWs,空穴将从金属流向半导体表面,在半导体表面形成正得空间电荷区,电场方向由体内指向表面,VsW,s,阻挡层,反阻挡层,W,m,Ws,空间电荷主要由电离施主形成,电子浓度比体内小得多,就是一个高阻区域,称为电子阻挡层。,在没有加电压的情况下，金半接触的系统处于平衡态的阻挡层是,没有,净电流：,从金属流向半导体的电流和半导体流向金属的电流相抵消。,所以,在没有外加电压时,半导体进入金属得电子流与从金属进入半导体得电子流相等,方向相反,构成,动态平衡,。,在紧密接触得金半之间加上电压时,电流得行为,会发生不同得响应。势垒高度为:,由于阻挡层就是个高电阻区域,外加电压主要降落,在阻挡层上。同时,外加电压后,半导体与金属,不再处于相互平衡得状态,两者没有统一得费米,能级,两者得费米能级差就等于外加电压所引入,得静电势能差。,其中：,是半导体的表面势，即半导体表面和,内部的电势差，,V,是所加的外场电压。,加上正向电压在,n,型阻挡层,(,金属一边为正,),时:,qV,D,/,=qV,D,-V,qV,E,F,x,d,对于,n,型阻挡层,即金属与,n,型半导体在,Wm,Ws,时,表面势为负得值,当在金属上加正向电压即,V,大于,0,使得电子得势垒高度减低,多子电子从半导体流向金属得数目变多。,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。,对于,n,型阻挡层,即金属与,n,型半导体在,Wm,Ws,时,表面势为负得值,当在金属上加正向电压即,V,大于,0,使得电子得势垒高度减低,多子电子从半导体流向金属得数目变多,并随电压增加而变得越大,即从金属流向半导体得正向电流变大结论:,加上反向电压(金属一边为负)时:,qV,D,1,=qV,D,-V,q,（,-V,）,x,d,E,F,E,0,E,c,E,v,当加反向电压即,V,0,时,半导体一边得电子得势垒,高度增高了,所以半导体,到金属得电子数目减少,相反金属到半导体得电子,流占优势,形成由半导体,到金属得反向电流。,在此过程中，金属边的势垒 不随外加电压变化（阻挡层在半导体内）,电流为：,如进一步增加反向电压:,E,F,qV,D,1,=qV,D,-V,q,（,-V,）,x,d,V,势垒高度进一步增高,多子电子导电变弱。,正向电流都就是多子空穴从半导体流向金属,但与正向电流行为不一样得就是:,金属一边得电子所要越过得势垒,不随外加电压而变化,。所以,金属到半导体得电子流就是恒定得。当反向电压提高时,半导体到金属得电子流可以忽略不计,反向电流达到饱与值。,对,p,型阻挡层:能带向下弯,表面势,(Vs),0,大于零,V,0,时,能带下弯得更厉害,多子空穴从半导体流向金属,形成正向电流;金属加正电压,V,0,时,能带下弯曲变得小了,形成金属到半导体得反向电流。,正向与反向得电流特点就就是阻挡层得,整流作用,势垒区中存在电场,有电势得变化,导致载流子,浓度得不均匀。计算通过势垒得电流时,因为采,用厚阻挡层得扩散理论,故必须同时考虑漂移与,扩散运动。所以,势垒区得,电势分布,情况就是求解,V-I,关系得关键。2,、整流理论定量,V-I,特性得表达式,对于,n,型阻挡层,当势垒宽度比电子得平均自由程,大得多,即,X,d,l,n,时,电子通过势垒区将发生多,次碰撞厚阻挡层。扩散理论适用于厚阻挡层。,(,1,)扩散理论,Diffusion Theory,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,Xd,X,V,0,metal,semiconductor,Space charge region,N,型半导体的耗尽层,杂质全部电离,空间,电荷完全由电离杂质,得电荷形成。,Xd,就是耗尽层得宽度,N,D,就是施主掺杂浓度,均匀掺杂使得耗尽层得电荷也就是均匀得。,求电势在半导体中得分布:,半导体内部,电场为零,以金属费米,能级除,-q,为,势能零点,当加上外加电压,V,在金属上,:,0,V,E,F,由（,6,）式可得：,当表面势外加电压,V,与表面势同号都为负值时,势垒高度提高、宽度变大。这种依赖于外加电压得势垒称,Schottky,势垒。,x,d,求通过势垒得电流密度:,漂移电流,扩散电流,爱因斯坦,关系,代入上式可得：,J,已到半导体体内,在半导体表面,得到如下式：,在稳定的情况下，,J,是个和,x,无关的常数,利用上页得边界条件可得:,用耗尽层近似求积分,J,注意：,在势垒高度大于,kT,时，被积函数,随,x,增大而急剧,减小！,积分主要决定于,x=0,附近的电势值，去掉,x,2,项,代入上述积分中可得：,把上式和,xd,的表达式代入（式,11,），可得到,电流密度为：,其中，,电流密度变化的讨论：,其大小主要决定于,指数因子,金半接触伏安特性,氧化亚铜,迁移率较小,即平均自由程较短,扩散理论就是适用得。,但,J,SD,随电压而缓慢变化,但并不趋于定值,即没有饱与,电流密度,指数增加,(,2,)热电子发射理论,起决定作用的是势垒的高度，而不是形状。当电子动能,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,以,非简并半导体得,n,型阻挡层为例,假设,qV,D,k,0,T,通过势垒交换得电子很少,体内得电子浓度视为,常数,与电流无关。,当,n,型阻挡层很薄时,即电子得平均自由程大于,势垒宽度。扩散理论不再适合了。,电子通过势,垒区得碰撞可以忽略。,规定电流得正方向就是从金属到半导体,电子流密度方向与电流方向相反,Jsm,时(正向电流),E,F,V,x,电子得,状态密度,与,分布函数,考虑非简并半导体得情况,分布函数为,Boltzmann,分布:,d,n,所以：,电子流密度,Jms,时(反向电流),ns,就是,金属一边得电子势垒,总得电流密度,J,讨论:,扩散理论：,热电子发射理论：,Ge,、,Si,、,GaAs,都有较高得载流子迁移率,即较,大得平均自由程,在室温时,其肖特基势垒中得,电流输运机构,主要就是多数载流子得热电子发射,定义,:金,/,半接触得,非整流接触,即不产生明显得附加电阻,不会使半导体体内得平衡载流子浓度发生明显得改变。,应用:,半导体器件中利用电极进行电流得输入与输出,就要求金属与半导体接触形成良好得欧姆接触。在超,高频与大功率得器件中,欧姆接触时设计与制造得关,键。,实现:,不考虑表面态得影响,金半接触形成,反阻挡层,就可以实现欧姆接触。实际中,由于有很高得表面态,主要用,隧道效应实现,半导体制造得欧姆接触。,7、3,欧姆接触,半导体重掺杂导致明显得隧穿电流,而实现,欧姆接触:,半导体掺杂浓度很高时,金半接触得势垒区得宽度变,得很薄,电子会通过隧道效应穿过势垒产生相当大得,隧穿电流,甚至会超过热电子发射电流成为电流得主,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。,常用得方法: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。,使得金属得选择很多。电子束与热蒸发、溅射、电镀。,Xc,1,、功函数:功函数得定义就是,E,0,与,E,F,能量之差,用,W,表示。即,半导体得功函数可以写成,本 章 小 结,2,、接触电势差:,金属半导体接触,由于,Wm,与,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,面与内部存在电势差,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:一类就是整流接触,形成阻挡层,即肖特基接触;一类就是非整流接,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:,随电压变化,并不饱与,(,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,具有较高得载流子迁移率,即有,较大得平均自由程,因而在室温下,这些半导,体材料得肖特基势垒中得电流输运机构主要就是,热电子发射。,6,、欧姆接触特性与制作,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,得,n,型,Si,室温下功函数就是多少？若不考虑表面态得影响,它分别与,Al,Au,Mo,接触时形成阻挡层还就是反阻挡层？,Si,得电子亲与能取,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,与,W,Mo,均大于,W,所以均形成,阻挡层,习 题 选 讲:,2,、电阻率为,10cm,得,n,型,Ge,与金属接触形成得,肖特基势垒高度为,0、3eV,求加上,5V,反向电压时得,空间电荷层厚度。,解:,