半導體物理學劉恩科第七版 第七章 金半接觸

1、第七章第七章 金屬和半導體接觸金屬和半導體接觸 7.1 金屬半導體接觸及其能級圖；金屬半導體接觸及其能級圖； 7.2 金屬半導體接觸整流理論金屬半導體接觸整流理論 7.3 少數(shù)載流子注入和歐姆接觸少數(shù)載流子注入和歐姆接觸 7.1 金半接觸及其能帶圖金半接觸及其能帶圖 0k時時，金屬：，金屬：EEF時，能級全空時，能級全空 一定溫度一定溫度T下，金屬中下，金屬中EF附近電附近電 子熱激發(fā)，躍遷到子熱激發(fā)，躍遷到EEF的能級的能級 金屬內(nèi)部的電子好像在勢阱中金屬內(nèi)部的電子好像在勢阱中 運動。運動。 金屬內(nèi)部電子逸出成為自由電子所需金屬內(nèi)部電子逸出成為自由電子所需 要的最小能量為：要的最小能量為：

2、半導體中，半導體中， 使內(nèi)部電子從半導體逸出使內(nèi)部電子從半導體逸出 成為自由電子成為自由電子所需要的最小能量所需要的最小能量為：為： Ws為半導體的功函數(shù)為半導體的功函數(shù) 表示表示半導體導帶底的電子逸出體外半導體導帶底的電子逸出體外 需要的最小能量。需要的最小能量。 Ws= +Ec-EF= + En 若一塊金屬和一塊若一塊金屬和一塊n型半導體，具有共同的真空靜止能級，型半導體，具有共同的真空靜止能級， 且（金屬功函數(shù)）且（金屬功函數(shù)）WmWs （半導體功函數(shù)）。（半導體功函數(shù)）。 接觸前：接觸前：接觸后：接觸后： 特征：特征： 1) Efs高于高于Efm; 2) Efs-Efm=Ws-Wm 特

3、征：特征：1)接觸后，半導體中接觸后，半導體中 的電子向金屬中流動的電子向金屬中流動 2) 平衡后具有統(tǒng)一費米能平衡后具有統(tǒng)一費米能 級，再無凈電子流過。級，再無凈電子流過。 接觸后電子流動的結果：接觸后電子流動的結果： 金屬表面帶負電，半導體表面帶正電。金屬表面帶負電，半導體表面帶正電。 所帶電荷在數(shù)量上保持相同，系統(tǒng)保持電中性。所帶電荷在數(shù)量上保持相同，系統(tǒng)保持電中性。 相對于相對于EFm, EFs下降了下降了(Wm Ws) 金屬金屬-半導體接半導體接 觸產(chǎn)生的電勢差觸產(chǎn)生的電勢差 (Vs- Vm)=(Wm Ws)/q q(Vs- Vm)=(Wm Ws) D為金屬為金屬-半導體半導體 間的

4、間距間的間距 D越小，靠近半導體的金屬表面越小，靠近半導體的金屬表面負電荷密度增加負電荷密度增加 靠近金屬的半導體表面靠近金屬的半導體表面正電荷密度增加正電荷密度增加。 半導體表面的半導體表面的正電荷正電荷分布在一定厚的表面層內(nèi)，即分布在一定厚的表面層內(nèi)，即 空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)內(nèi)存在一定電場，造成能空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)內(nèi)存在一定電場，造成能 帶帶彎曲彎曲。使表面和內(nèi)部存在電勢差。使表面和內(nèi)部存在電勢差Vs. 接觸電勢差接觸電勢差= Vs+Vms (Vs + VmS)=(Ws Wm)/q D很小時，很小時， VmS很小，接觸電很小，接觸電 勢差主要降落在空間電荷區(qū)。勢差主要降落在空間電荷區(qū)

5、。 D很小時，很小時，Vs=(Ws Wm)/q 半導體一側的勢壘高度為：半導體一側的勢壘高度為： qVD =-qVs=(Wm Ws) 其中，其中，Vs0 金屬一側的勢壘高度為：金屬一側的勢壘高度為： q ns=qVs +En= (Wm Ws)+En = Wm Ws= + En Vs0 Vs0 1. 電子從半導體流向金屬，表電子從半導體流向金屬，表 面形成面形成正正的空間電荷區(qū)的空間電荷區(qū); 2. E由體內(nèi)指向表面；由體內(nèi)指向表面； 1. 電子從金屬流向半導體，表電子從金屬流向半導體，表 面形成面形成負負的空間電荷區(qū)的空間電荷區(qū); 2. E由表面指向體內(nèi)；由表面指向體內(nèi)； 3. 能帶向下彎曲，表

6、面形成勢能帶向下彎曲，表面形成勢 壘壘 4. 勢壘區(qū)電子大于體內(nèi)，形成勢壘區(qū)電子大于體內(nèi)，形成 高電導區(qū)，常稱高電導區(qū)，常稱反阻擋層反阻擋層。 3. 能帶向上彎曲，表面形成勢壘；能帶向上彎曲，表面形成勢壘； 4. 勢壘區(qū)由電離施主而成，形成勢壘區(qū)由電離施主而成，形成 高阻區(qū)，常稱高阻區(qū)，常稱阻擋層阻擋層。 Vs0 Vs0 金屬與金屬與p型半導體接觸時，情況剛好相反。型半導體接觸時，情況剛好相反。 1. 能帶向下彎曲；能帶向下彎曲； 2. 形成形成p型型阻擋層阻擋層。 1. 能帶向上彎曲；能帶向上彎曲； 2. 形成形成p型型反阻擋層反阻擋層。 對一定半導體，親和勢對一定半導體，親和勢 一定。一定

7、。 理論上，金屬材料不同，功函數(shù)理論上，金屬材料不同，功函數(shù)Wm不不 同，勢壘高度也不同。同，勢壘高度也不同。 實際上，雖然金屬功函數(shù)實際上，雖然金屬功函數(shù)Wm差別較大差別較大 不同，勢壘高度差別不大。不同，勢壘高度差別不大。 由于由于半導體表面存在表面態(tài)半導體表面存在表面態(tài)的緣故的緣故 施主表面態(tài)：釋放電子呈施主表面態(tài)：釋放電子呈正電性正電性； 受主表面態(tài)：接受電子呈受主表面態(tài)：接受電子呈負電性負電性； 表面態(tài)具有表面能級，距價帶頂表面態(tài)具有表面能級，距價帶頂q 0 電子正好填滿電子正好填滿q 0以下所有以下所有表表 面態(tài)時，表面面態(tài)時，表面電中性；電中性； q 0以下所有以下所有表面態(tài)空著

8、時，表面態(tài)空著時，表面帶表面帶 正電，呈施主；正電，呈施主； q 0以上以上表面態(tài)被電子填滿時，表面態(tài)被電子填滿時，表面表面 帶負電，呈受主；帶負電，呈受主； 對對n型半導體，型半導體，EF高于高于q 0，如果，如果q 0以上有受主表面態(tài)，則基本以上有受主表面態(tài)，則基本 被電子填滿，帶負電。被電子填滿，帶負電。 半導體表面出現(xiàn)正空間電荷區(qū)，形成電子的勢壘。半導體表面出現(xiàn)正空間電荷區(qū)，形成電子的勢壘。 若若EF比比q 0高一點，表面態(tài)積高一點，表面態(tài)積 累很多負電荷，勢壘高度累很多負電荷，勢壘高度 qVD= Eg-q 0-En 稱為被高表面態(tài)密度釘扎。稱為被高表面態(tài)密度釘扎。 N型半導體與金屬接

9、觸時，流向金屬的電子主要由表型半導體與金屬接觸時，流向金屬的電子主要由表 面態(tài)提供。面態(tài)提供。 若半導體表面若半導體表面無表面態(tài)無表面態(tài) Ws = +En 若存在表面態(tài)，既使不與金屬接觸，若存在表面態(tài)，既使不與金屬接觸， 也形成勢壘，也形成勢壘， Ws = + qVD+ En 表面態(tài)濃度很高時表面態(tài)濃度很高時 Ws = + Eg -q 0, 與受主濃度無關。與受主濃度無關。 表面態(tài)濃度很高時，可放出足夠多電子，半導體勢壘區(qū)幾乎不表面態(tài)濃度很高時，可放出足夠多電子，半導體勢壘區(qū)幾乎不 發(fā)生變化。使半導體表面的勢壘高度幾乎與金屬功函數(shù)無關發(fā)生變化。使半導體表面的勢壘高度幾乎與金屬功函數(shù)無關 當半導

10、體表面的密度很高時，可屏當半導體表面的密度很高時，可屏 蔽金屬接觸的影響，使半導體內(nèi)的蔽金屬接觸的影響，使半導體內(nèi)的 勢壘高度與金屬的功函數(shù)無關，勢壘高度與金屬的功函數(shù)無關， 基基 本上由半導體表面的性質決定。本上由半導體表面的性質決定。 緊密接觸時，接觸電勢差一部分降緊密接觸時，接觸電勢差一部分降 落在半導體表面以內(nèi)，金屬功函數(shù)落在半導體表面以內(nèi)，金屬功函數(shù) 對表面勢壘產(chǎn)生的影響程度不大。對表面勢壘產(chǎn)生的影響程度不大。 不難理解，當不難理解，當WMWS時，也可形成時，也可形成 N型阻擋層。型阻擋層。 7.2 金屬半導體接觸的整流理論金屬半導體接觸的整流理論-阻擋層的整流理論阻擋層的整流理論

11、金半接觸動態(tài)平衡時，具有統(tǒng)一費米能級，無凈電流流過。金半接觸動態(tài)平衡時，具有統(tǒng)一費米能級，無凈電流流過。 外加偏壓外加偏壓V下下, 電壓主要降落在高阻電壓主要降落在高阻 的阻擋層，無統(tǒng)一費米能級有凈電流的阻擋層，無統(tǒng)一費米能級有凈電流 流過流過 電子勢壘高度電子勢壘高度為為 -q(Vs) 0+V, 勢壘高度勢壘高度為為 -q(Vs) 0 (Vs) 0為半導體表面和內(nèi)部的電勢差為半導體表面和內(nèi)部的電勢差 N型阻擋層，型阻擋層， (Vs) 00)，勢壘高度降，勢壘高度降 為為-q(Vs) 0+V, 從半導體流到金屬電子從半導體流到金屬電子從金屬流到半導從金屬流到半導 體的電子體的電子, 形成形成正

12、向電流正向電流。 V越大，越大，正向電流也越大。正向電流也越大。 加反向偏壓加反向偏壓(V0)，（，（ (Vs) 0與與V ）同號，）同號， 勢壘高度升為勢壘高度升為-q(Vs) 0+V, 從半導體流到金屬電子從半導體流到金屬電子0, 正向電壓和反向電壓極性正好與正向電壓和反向電壓極性正好與n型阻擋層相反。型阻擋層相反。 V0 形成從形成從金屬金屬流到半導體的流到半導體的反向電流反向電流 正向電流均有正向電流均有多數(shù)載流子多數(shù)載流子由半導體流到金屬。由半導體流到金屬。 7.2.1 擴散理論擴散理論 N型半導體型半導體 設勢壘寬度設勢壘寬度xdln; 厚阻擋層，電子多次碰撞后通過厚阻擋層，電子多

13、次碰撞后通過 電子具有擴散和漂移運動電子具有擴散和漂移運動 )(0 )0( 02 2 xx xx qN dx Vd d d r D 半導體內(nèi)電場為零，半導體內(nèi)電場為零，E(xd)=0 選金屬費米能級選金屬費米能級Efm/(-q)為電勢零點為電勢零點 V(0)=- nsdx dV xE)( )()( 0 d r D d xx qN dx dV xE nsd r D xxx qN xV ) 2 1 ()( 2 0 V(xd)=-( ns+V) 而而 ns= n+ VD 2/1 00 )(2 D sr d qN VV x 2/1 00 00 )(2 D sr dVd qN V xx Xd是是V的函數(shù)

14、，當?shù)暮瘮?shù)，當V與與 Vs0符號相同時，勢壘升符號相同時，勢壘升 高，寬度高，寬度(厚度厚度)增加，增加， 厚度依賴于外加電壓的勢厚度依賴于外加電壓的勢 壘，壘，稱為肖特基勢壘稱為肖特基勢壘 )( )()( dx xdn DxExnqJ nn )()()( 0 dx xdn dx xdV Tk xqn qDn X=xd時時 ns d r D d x qN xV 2 0 2 )( )exp()( 0 0 Tk q Nnxn n cd )exp()0( 0 0 0 Tk qV nn s X=0時，V(0)=-ns nn D Tk q 0 在在x=0處，半導體與金屬直接接觸，處，半導體與金屬直接接觸

15、， 電子仍舊和金屬處于平衡態(tài)。電子仍舊和金屬處于平衡態(tài)。 nsd r D xxx qN xV ) 2 1 ()( 2 0 ) 1exp( 0 Tk qV JJ sD )exp()( 2 00 Tk qV VV qN J D r D sD V0, qVk0T )exp( 0T k qV JJ sD Vk0TsD JJ JsD隨隨電壓而變化電壓而變化，并不飽和。，并不飽和。 對氧化亞銅，載流子遷移率小，平均自由程短，對氧化亞銅，載流子遷移率小，平均自由程短，擴散理論適用擴散理論適用。 7.2.2 熱電子學發(fā)射理論熱電子學發(fā)射理論 當當n型阻擋層很薄，使型阻擋層很薄，使電子平均自由程電子平均自由程

16、xd時，電時，電 子在勢壘區(qū)的碰撞可忽略。子在勢壘區(qū)的碰撞可忽略。 當半導體中當半導體中電子能量電子能量E勢壘高度勢壘高度，可越過勢壘進入，可越過勢壘進入 金屬。金屬。 同時。金屬中電子也可以進入半導體。同時。金屬中電子也可以進入半導體。 通過阻擋層的通過阻擋層的電流與越過勢壘的電子數(shù)目電流與越過勢壘的電子數(shù)目有關，稱有關，稱 為為熱電子發(fā)射理論熱電子發(fā)射理論。 N型半導體為例，勢壘高度為型半導體為例，勢壘高度為-q (Vs) 0k0T, 半導體內(nèi)單位體積中能量在半導體內(nèi)單位體積中能量在EE+dE區(qū)間內(nèi)的電子數(shù)區(qū)間內(nèi)的電子數(shù) 為：為： 由于由于 2 * 2 1 nc mEE dmdE n *

17、d Tk m Tk m ndn nn ) 2 * exp() 2 * (4 0 2 22/3 0 0 dE zyx zyxn n ddd Tk m Tk m ndN ) 2 )(* exp() 2 * ( 0 222 2/3 0 0 單位體積中，速率在單位體積中，速率在 x ( x+d x)、 y ( y+d y)、 z ( z+d z)區(qū)間內(nèi)區(qū)間內(nèi), 單位截面積、單位時間到達金單位截面積、單位時間到達金- 半界面的電子數(shù)為半界面的電子數(shù)為: 越過勢壘，需要的最小能量為越過勢壘，需要的最小能量為 )( 2 1 0 2* VVqm sxn 最小速度為最小速度為 2/1 * 0 0 )(2 n s

18、 x m VVq 從半導體到金屬形成的電流密度為從半導體到金屬形成的電流密度為(規(guī)定規(guī)定正方向為金正方向為金 屬到半導體屬到半導體) dNqJ ms x zyxn zy n d Tk m dd Tk m qn x ) 2 )(* exp() 2 * ( 0 0 222 2/3 0 0 )exp()exp( 00 2* Tk qV Tk q TA ns ) 4 ( 3 2 0 * * h kqm A n A*稱為有效理查遜常數(shù)，熱電子向真空中發(fā)射稱為有效理查遜常數(shù)，熱電子向真空中發(fā)射 A*=120A/(cm2K) 越過阻擋層越過阻擋層總的電流密度為總的電流密度為 )exp()exp( 00 2*

19、 Tk qV Tk q TA ns ms J 由于從金屬到半導體的勢壘高度不隨外加電壓變化，由于從金屬到半導體的勢壘高度不隨外加電壓變化， 從金屬到半導體的電子流從金屬到半導體的電子流Jms為一常數(shù)。為一常數(shù)。 應與熱平衡下應與熱平衡下(V=0)時的時的Jsm相等。相等。 0 Vmssm JJ)exp( 0 2* Tk q TA ns mssm JJJ 1)exp(exp( 00 2* Tk qV Tk q TA ns 1)exp( 0 Tk qV J sT)exp( 0 2* Tk q TAJ ns sT 1)exp( 0 Tk qV JJ sT 熱電子發(fā)射理論與擴散理論的電流密度在形式上相

20、同；熱電子發(fā)射理論與擴散理論的電流密度在形式上相同； 區(qū)別：區(qū)別：JsT與外加偏壓無關，但更依賴于溫度。與外加偏壓無關，但更依賴于溫度。 Ge, Si, GaAs等具有較高的電子遷移率，平均自由程大，等具有較高的電子遷移率，平均自由程大， 熱電子發(fā)射理論與比較符合。熱電子發(fā)射理論與比較符合。 7.2.3鏡像力和隧道效應的影響鏡像力和隧道效應的影響 在金半接觸中，實際測量的電流大于在金半接觸中，實際測量的電流大于 理論值。這與理論值。這與鏡像力和隧道效應密切鏡像力和隧道效應密切 相關。相關。 1.鏡像力鏡像力 在金屬在金屬-真空系統(tǒng)中，金屬外面的電子在金屬表面真空系統(tǒng)中，金屬外面的電子在金屬表面

21、 感應出感應出正電荷正電荷，又稱為，又稱為鏡像電荷鏡像電荷。 正正-負電荷間互相吸引的庫侖力，又稱負電荷間互相吸引的庫侖力，又稱 為為鏡像力鏡像力 在鏡像力引起勢壘降低，在鏡像力引起勢壘降低， 反向電壓較高時，勢壘降低越明顯，反向電壓較高時，勢壘降低越明顯， 鏡像力的影響才顯得更重要。鏡像力的影響才顯得更重要。 2.隧道效應隧道效應 能量低于勢壘頂?shù)碾娮佑心芰康陀趧輭卷數(shù)碾娮佑幸欢ǜ怕蚀┻^勢壘一定概率穿過勢壘，稱為，稱為 隧道效應隧道效應。 穿過的概率與電子能量和勢壘厚度有關。穿過的概率與電子能量和勢壘厚度有關。 設臨界勢壘厚度為設臨界勢壘厚度為xc, 當當xd xc時，不能隨穿；時，不能隨穿

22、； 當當xdxc時，對時，對電子完全透明電子完全透明； 電子可直接穿過，相當于電子可直接穿過，相當于勢壘高度降低勢壘高度降低。 反向電壓較高時，勢壘降低較明顯。反向電壓較高時，勢壘降低較明顯。 鏡像力和隧道效應對反向特性影響顯著，勢壘高度鏡像力和隧道效應對反向特性影響顯著，勢壘高度 降低，反向電流增加。降低，反向電流增加。 7.2.4肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管 肖特基勢壘二極管：利用金肖特基勢壘二極管：利用金-半整流接觸特性制成的二半整流接觸特性制成的二 極管。極管。 與與pn結二極管相似的電流結二極管相似的電流-電壓特性，即電壓特性，即單向導電性單向導電性。 區(qū)別之處：區(qū)別之處： 1.

23、 pn結二極管在正向偏壓下注入的少數(shù)載流子具有電結二極管在正向偏壓下注入的少數(shù)載流子具有電 荷存儲效應，嚴重地影響了其高頻特性。荷存儲效應，嚴重地影響了其高頻特性。 肖特基勢壘二極管正向電流是多子流入金屬形成，多肖特基勢壘二極管正向電流是多子流入金屬形成，多 子器件。子器件。 無電子的積累現(xiàn)象，具有更好的高頻特性。無電子的積累現(xiàn)象，具有更好的高頻特性。 2. 對于相同的勢壘高度，肖特基勢壘二極管有的對于相同的勢壘高度，肖特基勢壘二極管有的JsD或或 JsT比比Js大得多。大得多。 肖特基勢壘二極管正向導通電亞較低，約肖特基勢壘二極管正向導通電亞較低，約0.3V左右左右 3.肖特基勢壘二極管的應

24、用肖特基勢壘二極管的應用 應用于高速集成電路、微波技術中，應用于高速集成電路、微波技術中， 如如Si TTL電路，雪崩二極管，肖特基勢壘柵場效電路，雪崩二極管，肖特基勢壘柵場效 應晶體管等。應晶體管等。 7. 3 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸 實際中，少數(shù)載流子的影響也比較顯著。實際中，少數(shù)載流子的影響也比較顯著。 對對n阻擋層，體內(nèi)電子為阻擋層，體內(nèi)電子為n0, 界面處電子濃度界面處電子濃度 電子的阻擋層就是電子的阻擋層就是空穴的積累層空穴的積累層。 在勢壘區(qū)，空穴的濃度在表面最大，體內(nèi)濃度為在勢壘區(qū)，空穴的濃度在表面最大，體內(nèi)濃度為p0 )exp()0( 0 0 T

25、k qV nn )exp()0( 0 0 Tk qV pp 加正向電壓，勢壘降低，空加正向電壓，勢壘降低，空 穴擴散作用占優(yōu)勢，形成自穴擴散作用占優(yōu)勢，形成自 外向內(nèi)的空穴流。外向內(nèi)的空穴流。 與電子電流方向一致。與電子電流方向一致。 )exp()0( 0 0 Tk qV pp 因此，因此，總電流中一部分為空穴流的貢獻。總電流中一部分為空穴流的貢獻。 空穴流的大小，取決于勢壘高度。空穴流的大小，取決于勢壘高度。 隨勢壘的高度增加而增加。隨勢壘的高度增加而增加。 7.3.2 歐姆接觸歐姆接觸 歐姆接觸歐姆接觸：金屬和半導體的非整流接觸。：金屬和半導體的非整流接觸。 理想歐姆接觸的理想歐姆接觸的接

26、觸電阻接觸電阻與半導體樣品或器件相比很小。與半導體樣品或器件相比很小。 電流流過時，接觸上的電壓降遠小于樣品或器件本身的電流流過時，接觸上的電壓降遠小于樣品或器件本身的 電壓降。即接觸不影響器件的電流電壓降。即接觸不影響器件的電流-電壓特性。電壓特性。 歐姆接觸的應用歐姆接觸的應用： 半導體器件一般都要利用金屬電極輸入半導體器件一般都要利用金屬電極輸入-輸出電輸出電 流，要求具有良好的接觸。流，要求具有良好的接觸。 在超高頻和大功率器件中，歐姆接觸是設計、在超高頻和大功率器件中，歐姆接觸是設計、 制造的關鍵問題。制造的關鍵問題。 歐姆接觸的實現(xiàn)歐姆接觸的實現(xiàn): (不考慮表面態(tài)的影響不考慮表面態(tài)的影響) 1.形成反阻擋層：形成反阻擋層：反阻擋層沒有整流作用；反阻擋層沒有整流作用； 2. 選擇合適的金屬材料選擇合適的金屬材料 若若WmWs，金屬，金屬- P型半導體形成型半導體形成反阻擋層反阻擋層； Ge、Si、GaAs型是重要的半導體材料，一般有很型是重要的半導體材料，一般有很 高的表