金屬和半導(dǎo)體的接觸

1、金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸第第 七七 章章 金金 屬屬 和和 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 的的 接接 觸觸Metal-Semiconductor Contact金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸一、概述：一、概述：1 1、在微電子和光電子器件中，半導(dǎo)體材料和、在微電子和光電子器件中，半導(dǎo)體材料和金金屬屬、半導(dǎo)體半導(dǎo)體以及以及絕緣體絕緣體的各種接觸是普遍存在的各種接觸是普遍存在的，如的，如MOSMOS器件、肖特基二極管、氣體傳感器等。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，使得薄膜技術(shù)及納米技術(shù)的發(fā)展，使得界面接觸界面接觸顯顯得更加重要。得更加重要。金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和

2、半導(dǎo)體的接觸二、金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)二、金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)W Wm m 、W Ws s1 1、金屬的功函數(shù)、金屬的功函數(shù)W Wm m表示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，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由金屬內(nèi)部逸出到表面外的真空中所需要的要的最小能量最小能量。E0(EF)mWm0()mFmWEE即： 功函數(shù)大小標(biāo)致電子在金屬中被束縛的強(qiáng)弱功函數(shù)大小標(biāo)致電子在金屬中被束縛的強(qiáng)弱金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸2 2、半導(dǎo)體的功函數(shù)、半導(dǎo)體的功函數(shù)W Ws sE E0 0與費(fèi)米能級(jí)之差稱為半導(dǎo)體與費(fèi)米能級(jí)之差稱為半導(dǎo)體的功函數(shù)。的功函數(shù)。0()sFsWE

3、E即：用用表示從表示從E Ec c到到E E0 0的能量間隔的能量間隔：0cEE稱稱為電子的為電子的親和能親和能，它表示要使半導(dǎo)體，它表示要使半導(dǎo)體導(dǎo)帶導(dǎo)帶底底的電子逸出體外所需要的的電子逸出體外所需要的最小最小能量。能量。Ec(EF)sEvE0WsEn金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸 N型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：scFnsWEEE式中：式中：()ncFsEEE P型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：()pFsvEEE()soFsgpWEEEE式中：式中：Note:Note: 和金屬不同的是，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)隨和金屬不同的是，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)隨雜質(zhì)濃度變化，所以，雜質(zhì)濃度變化，所以，WsWs也和也和雜質(zhì)濃度雜質(zhì)

4、濃度有關(guān)。有關(guān)。故常用親和能表征半導(dǎo)體故常用親和能表征半導(dǎo)體金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體半導(dǎo)體金屬金屬半導(dǎo)體半導(dǎo)體金屬金屬能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化新的物理效應(yīng)新的物理效應(yīng)和應(yīng)用和應(yīng)用3 3、金屬、金屬/ /半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體接觸( (理想接觸）理想接觸）金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸三、金屬與半導(dǎo)體的接觸及接觸電勢差三、金屬與半導(dǎo)體的接觸及接觸電勢差1. 1. 阻擋層接觸阻擋層接觸金金屬屬n半導(dǎo)半導(dǎo)體體mWFmEsWnEvEcEFsE0E設(shè)想有一塊金屬和一塊設(shè)想有一塊金屬和一塊n n型型半導(dǎo)體，并假定半導(dǎo)體，并假定金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)，即：金屬的功函數(shù)大于半

5、導(dǎo)體的功函數(shù)，即：msWW即半導(dǎo)體的費(fèi)米能即半導(dǎo)體的費(fèi)米能E EFsFs高于金屬的費(fèi)米能高于金屬的費(fèi)米能E EFmFm金屬的傳導(dǎo)電子的濃度金屬的傳導(dǎo)電子的濃度很高很高，1010222210102323cmcm-3-3半導(dǎo)體載流子的濃度比半導(dǎo)體載流子的濃度比較低較低，1010101010101919cmcm-3-3金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬半導(dǎo)體接觸前后金屬半導(dǎo)體接觸前后能帶圖能帶圖的變化：的變化：接觸后接觸后，金屬和半導(dǎo)體的費(fèi)，金屬和半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)應(yīng)該在同一水平，半米能級(jí)應(yīng)該在同一水平，半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子必然必然要流向要流向金屬，而達(dá)到統(tǒng)一的費(fèi)米能金屬，而達(dá)到統(tǒng)一的

6、費(fèi)米能接觸前接觸前，半導(dǎo)體的費(fèi)米能，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)高于金屬（相對(duì)于真空級(jí)高于金屬（相對(duì)于真空能級(jí)），所以半導(dǎo)體導(dǎo)帶能級(jí)），所以半導(dǎo)體導(dǎo)帶的電子有向金屬流動(dòng)的的電子有向金屬流動(dòng)的可可能能WmEFmWsE0EcEFsEv接觸前接觸前接觸后接觸后qVDEFEFEvEcmqxdE0金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸在接觸開始時(shí)，金屬和半導(dǎo)體的間距大于原子的在接觸開始時(shí)，金屬和半導(dǎo)體的間距大于原子的間距，在兩類材料的表面形成電勢差間距，在兩類材料的表面形成電勢差VmsVms。smmsmsWWVVVq接觸電勢差接觸電勢差：緊密接觸緊密接觸后，電荷的流動(dòng)使得在半導(dǎo)體表面相當(dāng)后，電荷的流動(dòng)使得在半導(dǎo)體表面

7、相當(dāng)厚的一層形成正的厚的一層形成正的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)。空間電荷區(qū)形成。空間電荷區(qū)形成電場，其電場在界面處造成電場，其電場在界面處造成能帶彎曲能帶彎曲，使得半導(dǎo)，使得半導(dǎo)體表面和內(nèi)部存在體表面和內(nèi)部存在電勢差電勢差，即，即表面勢表面勢VsVs。接觸電。接觸電勢差分降在勢差分降在空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)和金屬與半導(dǎo)體和金屬與半導(dǎo)體表面之間表面之間。但當(dāng)忽略接觸間隙時(shí)，電勢主要降在。但當(dāng)忽略接觸間隙時(shí)，電勢主要降在空間電荷空間電荷區(qū)區(qū)。金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)在考慮忽略間隙中的電勢差時(shí)的現(xiàn)在考慮忽略間隙中的電勢差時(shí)的極限極限情形情形: :半導(dǎo)體一邊的勢壘高度為：半導(dǎo)體一邊的勢壘高度為：

8、DsmsqVqVWW 金屬一邊的勢壘高度為：金屬一邊的勢壘高度為：mnDnsnmsnmqqVEqVEWWEW 半導(dǎo)體體內(nèi)電場為零，在空半導(dǎo)體體內(nèi)電場為零，在空間電荷區(qū)電場方向間電荷區(qū)電場方向由內(nèi)向外由內(nèi)向外，半導(dǎo)體表面勢半導(dǎo)體表面勢Vs0mqEFEvqVDEcE電場電場金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸在勢壘區(qū)，空間電荷主要由電離施主形成，電子在勢壘區(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)濃度比體內(nèi)小得多，是一個(gè)高阻區(qū)域高阻區(qū)域，稱為，稱為阻擋阻擋層層。界面處的勢壘通常稱為。界面處的勢壘通常稱為肖特基勢壘。肖特基勢壘。mqEFEvqVDEcE電場電場所以：所以：金屬與金屬

9、與N N型型半導(dǎo)體接觸時(shí)半導(dǎo)體接觸時(shí)，若，若WmWsWmWs，即半導(dǎo)體，即半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)高于金屬，電的費(fèi)米能級(jí)高于金屬，電子向金屬流動(dòng)，穩(wěn)定時(shí)系子向金屬流動(dòng)，穩(wěn)定時(shí)系統(tǒng)費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)一，在半導(dǎo)統(tǒng)費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)一，在半導(dǎo)體表面層形成體表面層形成正的空間正的空間電荷區(qū)電荷區(qū)，能帶向上彎曲，能帶向上彎曲，形成電子的表面勢壘。形成電子的表面勢壘。金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸2 2. . 反阻擋層接觸反阻擋層接觸設(shè)想有一塊金屬和一塊設(shè)想有一塊金屬和一塊n n型型半導(dǎo)體，并假定半導(dǎo)體，并假定金屬的功函數(shù)小于半導(dǎo)體的功函數(shù)，即：金屬的功函數(shù)小于半導(dǎo)體的功函數(shù)，即：msWW即半導(dǎo)體的費(fèi)米能即半導(dǎo)體的費(fèi)米能E

10、 EFsFs低于金屬的費(fèi)米能低于金屬的費(fèi)米能E EFmFm 金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)，電子將從金屬流金屬和半導(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)的空間電荷向半導(dǎo)體，在半導(dǎo)體表面形成負(fù)的空間電荷區(qū)，區(qū)，電場方向由表面方向由表面指向體內(nèi)指向體內(nèi)，Vs0Vs0, , 能帶能帶向下彎曲向下彎曲。在表面的空間電荷區(qū)，電子濃度。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)，稱為高于體內(nèi)，高電導(dǎo)區(qū)，稱為反阻擋層反阻擋層。金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬與金屬與P P型型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若半導(dǎo)體接觸時(shí)，若W Wm mWWs s，即金屬的，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)體的費(fèi)米能

11、級(jí)比半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)高，半導(dǎo)體的多多子空穴子空穴流向金屬，使得金屬表面帶正電，半導(dǎo)流向金屬，使得金屬表面帶正電，半導(dǎo)體表面帶體表面帶負(fù)電負(fù)電，半導(dǎo)體表面能帶，半導(dǎo)體表面能帶向下彎曲向下彎曲，形，形成空穴的表面勢壘。成空穴的表面勢壘。金屬金屬p p型型半導(dǎo)體接觸的阻擋層半導(dǎo)體接觸的阻擋層在半導(dǎo)體的勢壘區(qū)，在半導(dǎo)體的勢壘區(qū)，空間電荷空間電荷主要由負(fù)的電離受主要由負(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，形成空穴個(gè)高阻區(qū)域，形成空穴阻擋層阻擋層。金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和金屬和p p型型半導(dǎo)體半導(dǎo)體W Wm mW W W

12、s s，即金屬的，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)體的電電子子流向金屬，使得金屬表面帶負(fù)電，半導(dǎo)體表流向金屬，使得金屬表面帶負(fù)電，半導(dǎo)體表面帶面帶正電正電，半導(dǎo)體表面能帶，半導(dǎo)體表面能帶向上彎曲向上彎曲。在半導(dǎo)。在半導(dǎo)體表面的多子（空穴）濃度較大，高電導(dǎo)區(qū)，體表面的多子（空穴）濃度較大，高電導(dǎo)區(qū)，形成形成反阻擋層反阻擋層。金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸3 3、金屬半導(dǎo)體接觸的、金屬半導(dǎo)體接觸的阻擋層阻擋層所謂所謂阻擋層阻擋層，在半導(dǎo)體的勢壘區(qū)，形成的，在半導(dǎo)體的勢壘區(qū)，形成的空間電空間電荷區(qū)，它荷區(qū)，它主要由主要由正正的電離施主雜質(zhì)或的電離

13、施主雜質(zhì)或負(fù)負(fù)的電離受的電離受主形成，其多子電子或空穴濃度比體內(nèi)小得多，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曲形成電子或空穴的阻擋阻擋。金屬與金屬與N N型型半導(dǎo)體，半導(dǎo)體，WmWsWmWs金屬與金屬與P P型型半導(dǎo)體半導(dǎo)體, WmWs, WmWs電子的阻擋層電子的阻擋層 整流接觸整流接觸W sWm電子的反阻擋層電子的反阻擋層 歐姆接觸歐姆接觸理想接觸理想接觸實(shí)際接觸實(shí)際接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸1 1、阻擋層阻擋層的整流特性的整流特性 外加電壓對(duì)阻擋層外加電壓對(duì)阻擋層 （

14、高阻層高阻層）的作用）的作用金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸加上加上正向正向電壓電壓 ( (金屬一邊為正金屬一邊為正) )時(shí)：時(shí)：由于阻擋層是個(gè)高電由于阻擋層是個(gè)高電阻區(qū)域，外加電壓主阻區(qū)域，外加電壓主要降落在阻擋層上。要降落在阻擋層上。金屬一側(cè)的勢壘高度金屬一側(cè)的勢壘高度沒有變化沒有變化外加電壓削弱了內(nèi)建電場的作用，半導(dǎo)體勢壘降低；外加電壓削弱了內(nèi)建電場的作用，半導(dǎo)體勢壘降低；smJmsJJ電流為：電流為：金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸進(jìn)一步增加正向電壓：進(jìn)一步增加正向電壓： VqVD1=qVD-VqVnsqxdnqEF勢壘高度進(jìn)一步減低，勢壘寬度減薄，勢壘高度進(jìn)一步減低，勢壘寬度

15、減薄，多子導(dǎo)電多子導(dǎo)電變強(qiáng)。正向?qū)щ?，電流很?qiáng)。變強(qiáng)。正向?qū)щ?，電流很?qiáng)。金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸加上加上反向電壓反向電壓（金屬一邊為（金屬一邊為負(fù)負(fù)）時(shí)：）時(shí)：外加電壓增強(qiáng)了內(nèi)建電場的作用，勢壘區(qū)外加電壓增強(qiáng)了內(nèi)建電場的作用，勢壘區(qū)電勢增強(qiáng)，勢壘增高；電勢增強(qiáng)，勢壘增高；msJsmJJ由于阻擋層是個(gè)高電由于阻擋層是個(gè)高電阻區(qū)域，外加電壓主阻區(qū)域，外加電壓主要降落在阻擋層上。要降落在阻擋層上。金屬一側(cè)的勢壘高度金屬一側(cè)的勢壘高度沒有變化沒有變化金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸2 2、整流理論整流理論定量定量V-IV-I特性的表達(dá)式特性的表達(dá)式勢壘寬度比載流子的平均自由程大得多，

16、即勢壘寬度比載流子的平均自由程大得多，即勢壘區(qū)是耗盡區(qū)；勢壘區(qū)是耗盡區(qū)；半導(dǎo)體是非簡并的半導(dǎo)體是非簡并的金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸(2)(2)簡化模型簡化模型：勢壘高度：勢壘高度qVDk0T時(shí)時(shí)，勢壘區(qū)勢壘區(qū)內(nèi)內(nèi)的載流子濃度的載流子濃度0 0 耗盡區(qū)耗盡區(qū)EFnsq0dXV0sDqVqVnnEq metalsemiconductorSpace charge regionN型半導(dǎo)體的耗盡層型半導(dǎo)體的耗盡層在勢壘區(qū)邊界，電子的在勢壘區(qū)邊界，電子的濃度分別為：濃度分別為： 電子從體內(nèi)向界面電子從體內(nèi)向界面處擴(kuò)散；處擴(kuò)散； 在內(nèi)建電場的作用在內(nèi)建電場的作用下，電子做漂移運(yùn)動(dòng)下，電子做漂移運(yùn)動(dòng)

17、；金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸擴(kuò)散方向與漂移方向擴(kuò)散方向與漂移方向相反相反無外加電壓：無外加電壓：擴(kuò)散與漂移相互抵消擴(kuò)散與漂移相互抵消平衡；平衡；反向電壓：反向電壓：漂移增強(qiáng)漂移增強(qiáng)反偏；反偏；正向電壓：正向電壓：擴(kuò)散增強(qiáng)擴(kuò)散增強(qiáng)正偏正偏金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸3、勢壘寬度與外加電壓的關(guān)系、勢壘寬度與外加電壓的關(guān)系勢壘區(qū)的寬度：勢壘區(qū)的寬度：1、無外加電壓，即、無外加電壓，即2、有外加電壓，即、有外加電壓，即V 0， d 正正正向電壓使勢壘區(qū)變窄正向電壓使勢壘區(qū)變窄V 勢壘頂部時(shí)，電子可以自由越過勢壘進(jìn)入勢壘頂部時(shí)，電子可以自由越過勢壘進(jìn)入另一邊另一邊 。電流的計(jì)算即。電流

18、的計(jì)算即求越過勢壘的載流子數(shù)目。求越過勢壘的載流子數(shù)目。 當(dāng)當(dāng)n n型阻擋層型阻擋層很薄很薄時(shí)，即電子的平均自由程大于時(shí)，即電子的平均自由程大于勢壘寬度。擴(kuò)散理論不再適合了。勢壘寬度。擴(kuò)散理論不再適合了。電子通過勢電子通過勢壘區(qū)的碰撞可以忽略。壘區(qū)的碰撞可以忽略。金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸1、熱電子發(fā)射理論的適用范圍、熱電子發(fā)射理論的適用范圍ln d適用于薄阻擋層適用于薄阻擋層勢壘高度勢壘高度 k0 T非簡并半導(dǎo)體非簡并半導(dǎo)體2、熱電子發(fā)射理論的基本思想、熱電子發(fā)射理論的基本思想薄阻擋層，勢壘高度起主要作用。薄阻擋層，勢壘高度起主要作用。能夠越過勢壘的電子才對(duì)電流有貢獻(xiàn)能夠越過勢壘的

19、電子才對(duì)電流有貢獻(xiàn)計(jì)算超越勢壘的載流子數(shù)目，從而求出電計(jì)算超越勢壘的載流子數(shù)目，從而求出電流密度流密度金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸3、勢壘區(qū)的伏安特性、勢壘區(qū)的伏安特性半導(dǎo)體一側(cè)，只有能量大于勢壘的電子才半導(dǎo)體一側(cè)，只有能量大于勢壘的電子才能越過勢壘：能越過勢壘：根據(jù)麥克斯韋分布可求得根據(jù)麥克斯韋分布可求得中的電子數(shù)：中的電子數(shù)：金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸規(guī)定電流的規(guī)定電流的正方向正方向是從金屬到半導(dǎo)體是從金屬到半導(dǎo)體 sFqExms1dnqvJx方向輸運(yùn)假設(shè)電子沿電子流密度方向和電流方向相反電子流密度方向和電流方向相反 Jsm時(shí)（正向電流）時(shí)（正向電流）EFnsqsqDqV

20、Vx能量范圍內(nèi)的電子數(shù)在dEEE dEEfEgdn電子的電子的狀態(tài)密度狀態(tài)密度和和分布函數(shù)分布函數(shù)金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸能夠運(yùn)動(dòng)到能夠運(yùn)動(dòng)到-界面的界面的電子數(shù)為：電子數(shù)為：00222*20*02xzyxnvxTkvvvmxyyndvevdvdvTkmqn 7002*TkqVTkqeeTAns2034nqm kAh其中，有效理查遜常數(shù)金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸 800smmsJJV時(shí) 902*TkqnseTA0VJJmssm從而 Jms時(shí)（反向電流）時(shí)（反向電流）nsmsmsJJ電子從金屬到半導(dǎo)體所面臨的勢壘高度是不隨外加電壓而變化的，所以從金屬到半導(dǎo)體的電子流所形成的

21、電流密度是個(gè)常量。它與熱平衡條件下，V0時(shí)的大小相等，方向相反。金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸smmsJJJ 1102*TkqSTnseTAJ其中1010TkqVSTeJnsns是是金屬一邊的電子勢壘金屬一邊的電子勢壘 總的電流密度總的電流密度J金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸 討論：討論：擴(kuò)散理論：擴(kuò)散理論：0exp() 1,SDSDqVJJJVk T兩種理論都得出電流和外加電壓近似成兩種理論都得出電流和外加電壓近似成指數(shù)指數(shù)關(guān)系關(guān)系熱電子發(fā)射理論：熱電子發(fā)射理論：0exp() 1,STSTqVJJJk T和外加電壓無關(guān)Ge、Si、GaAs都有都有較高的載流子遷移率較高的載流子遷移

22、率，即較，即較大的平均自由程，在室溫時(shí)，其肖特基勢壘中的大的平均自由程，在室溫時(shí)，其肖特基勢壘中的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)，主要是多數(shù)載流子的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)，主要是多數(shù)載流子的熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸擴(kuò)散理論熱擴(kuò)散理論熱熱電子發(fā)射理論熱電子發(fā)射理論厚阻擋層厚阻擋層電流源于半導(dǎo)體電流源于半導(dǎo)體一側(cè)電子的漂移或一側(cè)電子的漂移或擴(kuò)散擴(kuò)散薄阻擋層薄阻擋層電流源于越過勢壘的電流源于越過勢壘的電子電子金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸7 7.3 .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1、少數(shù)載流子的、少數(shù)載流子的注入注入對(duì)對(duì)n型阻擋層型阻擋層，對(duì)少子，對(duì)少子空穴空穴

23、就是積累層，在勢壘區(qū)表面就是積累層，在勢壘區(qū)表面空穴濃度最大，空穴濃度最大，(0)exp()DoqVppkT由表面向內(nèi)部擴(kuò)散，平衡時(shí)由表面向內(nèi)部擴(kuò)散，平衡時(shí)被電場抵消。在被電場抵消。在正向電壓正向電壓時(shí)，時(shí)，產(chǎn)生和電子電流方向一致的。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)。故部分正向電流由少子貢獻(xiàn)。vEcEFsEFmEEV金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸1eepqv1epLDqJTkqVTkqVsdTkqV0ppp00D0少子擴(kuò)散流首先首先決定于阻擋層中空穴的濃度，在勢壘很高的情況下決定于阻擋層中空穴的濃度，在勢壘很高的情況下，接觸表面的空穴濃度會(huì)很高。，接觸表面的空穴濃度會(huì)很

24、高。其次其次還要受擴(kuò)散能力的影響。在加正向電壓時(shí)，空穴流還要受擴(kuò)散能力的影響。在加正向電壓時(shí)，空穴流向半導(dǎo)體體內(nèi)，向半導(dǎo)體體內(nèi)，不能立即復(fù)合不能立即復(fù)合，要在阻擋層形成一定的，要在阻擋層形成一定的積累，然后靠積累，然后靠擴(kuò)散擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體體內(nèi)。進(jìn)入半導(dǎo)體體內(nèi)。所以有所以有：注入比注入比r： 即在加正向電壓時(shí)，少子電流和總電流的比即在加正向電壓時(shí)，少子電流和總電流的比/()ppnpJJJJJ在大電流時(shí)，注入比隨電流密度的增加而增大。在大電流時(shí)，注入比隨電流密度的增加而增大。少子空穴少子空穴電流的大?。弘娏鞯拇笮。篜age 236金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸2 2、歐姆接觸、歐姆接觸定義定

25、義：金金/半接觸的半接觸的非整流接觸，非整流接觸，即不產(chǎn)生明顯的附即不產(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。顯的改變。應(yīng)用：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)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。鍵。實(shí)現(xiàn)：實(shí)現(xiàn)：不考慮表面態(tài)的影響，金半接觸形成不考慮表面態(tài)的影響，金半接觸形成反阻擋層反阻擋層，就可以實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。實(shí)際中，

26、由于有很高的表面態(tài)，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)，主要用主要用隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制造的歐姆接觸。半導(dǎo)體制造的歐姆接觸。金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體半導(dǎo)體重?fù)诫s重?fù)诫s導(dǎo)致明顯的導(dǎo)致明顯的隧穿電流隧穿電流，而實(shí)現(xiàn)，而實(shí)現(xiàn)歐姆接觸：歐姆接觸：半導(dǎo)體摻雜濃度很高時(shí)，金半接觸的勢壘區(qū)的寬度變半導(dǎo)體摻雜濃度很高時(shí)，金半接觸的勢壘區(qū)的寬度變得得很薄很薄，電子會(huì)通過隧道效應(yīng)穿過勢壘產(chǎn)生相當(dāng)大的，電子會(huì)通過隧道效應(yīng)穿過勢壘產(chǎn)生相當(dāng)大的隧穿電流，甚至?xí)^隧穿電流，甚至?xí)^熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射電流成為電流的主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

27、小，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?？梢杂米鳉W姆接觸。常用的方法常用的方法：在：在n型或型或p型半導(dǎo)體上制作一層重?fù)诫s型半導(dǎo)體上制作一層重?fù)诫s區(qū)再與金屬接觸，形成金屬區(qū)再與金屬接觸，形成金屬n+n 或金屬或金屬p+p 結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。使得金屬的選擇很多。電子束和熱使得金屬的選擇很多。電子束和熱蒸發(fā)蒸發(fā)、濺射濺射、電鍍電鍍。02()rDdDVVxqN 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸1、功函數(shù)：功函數(shù)的定義是、功函數(shù)：功函數(shù)的定義是E0與與EF能量之差，能量之差，用用W表示。即表示。即FEEW0半導(dǎo)體的功函數(shù)可以寫成半導(dǎo)體的功函數(shù)可以寫成nsFcsEEEW)(本

28、本 章章 小小 結(jié)結(jié)半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)隨摻雜的變化而變化，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)體的功函數(shù)也會(huì)變化因此，半導(dǎo)體的功函數(shù)也會(huì)變化金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸2、接觸電勢差：、接觸電勢差：金屬半導(dǎo)體接觸，由于金屬半導(dǎo)體接觸，由于Wm和和Ws不同，會(huì)產(chǎn)生接不同，會(huì)產(chǎn)生接觸電勢差觸電勢差Vms。同時(shí)半導(dǎo)體能帶發(fā)生彎曲，使其表。同時(shí)半導(dǎo)體能帶發(fā)生彎曲，使其表面和內(nèi)部存在電勢差面和內(nèi)部存在電勢差V，即表面勢，即表面勢V，因而：，因而：smsmsVVqWW緊密接觸時(shí)：緊密接觸時(shí)： smsVqWW金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸典型金屬半導(dǎo)體接觸有兩類：一類是整流接觸，典型金

29、屬半導(dǎo)體接觸有兩類：一類是整流接觸，形成阻擋層，即形成阻擋層，即肖特基接觸肖特基接觸；一類是非整流接；一類是非整流接觸，形成反阻擋層，即觸，形成反阻擋層，即歐姆接觸歐姆接觸。 N型型P型型WmWs阻擋層阻擋層反阻擋層反阻擋層Wm0時(shí)，若時(shí)，若qVkT，其電流，其電流電壓特性為：電壓特性為：)exp(kTqVJJsD金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸其中：其中：002/10, )exp(2nDDrDsDqnkTqVVVqNJ當(dāng)當(dāng)VkT，則，則 ：sDJJJsd隨電壓變化，并不飽和隨電壓變化，并不飽和 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸（2）、熱電子發(fā)射理論：）、熱電子發(fā)射理論： 電流電流-電

30、壓特性為電壓特性為 1)exp(kTqVJJsT)exp(2*kTqTAJnssT其中，JST與外加電壓無關(guān)，但強(qiáng)烈依賴于溫度與外加電壓無關(guān)，但強(qiáng)烈依賴于溫度 Ge，Si，GaAs具有較高的載流子遷移率，即有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)較大的平均自由程，因而在室溫下，這些半導(dǎo)體材料的肖特基勢壘中的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)主要是體材料的肖特基勢壘中的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)主要是熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射。金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸4、鏡像力和隧道效應(yīng)的影響、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，它們引起勢壘高度的降低，使們引起勢壘高度的降低，使反向電流反向電流增加。增加。5、少數(shù)載流子的注入、少數(shù)載流子的注入: 在金屬和在金屬和n型半導(dǎo)體的整流接觸上加正向電壓時(shí)，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)象稱為就有空穴從金屬流向半導(dǎo)體，這種現(xiàn)象稱為少數(shù)少數(shù)載流子的注入載流子的注入。少數(shù)載流子電流與總電流之比稱。少數(shù)載流子電流與總電流之比稱為少數(shù)載流子注入比，用為少數(shù)載流子