第七章金屬和半導(dǎo)體接觸

1、施洪龍電話：68930256半導(dǎo)體物理地址：中央民族大學(xué)1#東配樓目錄第一章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)第二章 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷第三章 載流子的統(tǒng)計分布第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性第五章 非平衡載流子第六章 pn結(jié)第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸第八章 半導(dǎo)體異質(zhì)節(jié)第九章 半導(dǎo)體中的光電現(xiàn)象第十章 半導(dǎo)體中的熱電形狀第十一章 半導(dǎo)體中的磁-光效應(yīng)第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸在半導(dǎo)體上沉積一層金屬，形成緊密接觸，稱為金屬-半導(dǎo)體接觸。半導(dǎo)體的主要特性就是單向?qū)щ娦?；其伏安特性隨著摻雜的改變而改變；低摻雜重?fù)诫s重?fù)诫s下，無論是正向還是反向電壓，電流都會隨電壓的增大而迅速增大，等效于一個很小的電阻；具有良好單向?qū)щ娦?/p>

2、的金屬-半導(dǎo)體接觸稱為肖特基勢二極管(SBD)；具有良好導(dǎo)電性的金屬-半導(dǎo)體接觸稱為歐姆接觸。第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸肖特基二極管與pn結(jié)相似，但又有不同，在微波技術(shù)，高速集成電路上有著廣泛的應(yīng)用；半導(dǎo)體器件都需要金屬電極的輸入輸出，要求金屬-半導(dǎo)體有良好的歐姆接觸，在超高頻、大功率電器中歐姆接觸極為關(guān)鍵。金屬內(nèi)部有大量導(dǎo)電的電子，基本填充了導(dǎo)帶上的所有能級，再高的能級基本是空著的；金屬的特征費(fèi)米能級就是電子填充與否的標(biāo)志；這些電子一直都在不停的劇烈運(yùn)動，但能量不夠高，還不能脫離金屬；一運(yùn)動到表面就被散射回體內(nèi)。第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬的特征電子只有被熱激發(fā)到更高的空能級上，才可能逃逸

3、出金屬，稱為熱電子發(fā)射。陰極管是種典型的熱電子發(fā)射。加熱陰極，使大量電子激發(fā)到空能級上，進(jìn)而逃出金屬。電子逃出金屬所需的最小能量就是費(fèi)米面到真空能級的能量，稱為功函數(shù)。真空能級：真空中電子的最低能量(靜止時)熱電子發(fā)射電流正比于功函數(shù)越小，金屬的費(fèi)密能級越高功函數(shù)表征電子被金屬束縛的強(qiáng)弱。第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬的功函數(shù)在幾個電子伏范圍內(nèi)：1.9-5.4 eV第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體的費(fèi)米能級受雜質(zhì)濃度的影響；電子親和能：導(dǎo)帶底的電子逃逸出體外所需的能量；半導(dǎo)體的功函數(shù)可寫為：第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸如果用導(dǎo)線將金屬-半導(dǎo)體連起來，半導(dǎo)體中的電子流入金

4、屬中；設(shè)想有一塊金屬和n型半導(dǎo)體，它們有共同的真空能級，假設(shè)金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)。MS半導(dǎo)體的費(fèi)米面高于金屬的費(fèi)米能級；使金屬表面帶負(fù)電，半導(dǎo)體表面帶正電；當(dāng)兩者具有統(tǒng)一費(fèi)米能級時，達(dá)到動態(tài)平衡；電勢能的改變功函數(shù)的差異接觸電勢差為：接觸而產(chǎn)生的電勢差！第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸隨著接觸距離變短，靠近半導(dǎo)體一側(cè)的金屬表面負(fù)電荷密度增大，靠近金屬一側(cè)的半導(dǎo)體表面正電荷密度增大；由于半導(dǎo)體內(nèi)電離中心移動的限制，正電荷分布在半導(dǎo)體表面很厚的表面層內(nèi)，稱為空間電荷區(qū)。金屬一側(cè)空間電荷區(qū)很窄，因為金屬內(nèi)電子濃度很高。在空間電荷區(qū)形成的電場是阻止體內(nèi)的電子向半導(dǎo)體界面的進(jìn)一步流動，形成勢壘，所以

5、能帶上翹；勢壘高度為體內(nèi)電子流到界面上勢能的增加值；第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬一邊的勢壘高度為：金屬與半導(dǎo)體接觸時，WmWs，半導(dǎo)體表面形成正的空間電荷區(qū)，其電場方向由體內(nèi)指向界面，Vs0，使半導(dǎo)體表面電子的能量高于體內(nèi)，能帶上翹形成表面勢壘。在表面是勢壘區(qū)電子濃度很低，是高阻區(qū)，常稱阻擋層；Wm0，能帶下翹。在該區(qū)域電子濃度很高，稱為反阻擋層。第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸反阻擋層是很薄的高電導(dǎo)層，它對半導(dǎo)體-金屬接觸電阻的影響很小，所以反阻擋層在實驗中很難觀察到。金屬-p型半導(dǎo)體接觸WmWs，能帶上翹形成p型反阻擋層；WmWs，能帶下翹造成空穴勢壘，形成p型阻擋層。第七章 金屬和半導(dǎo)體的接

6、觸實驗表明，不同的金屬雖然功函數(shù)相差很大，但與半導(dǎo)體接觸后所形成的勢壘高度相差很小，這是與半導(dǎo)體的表面態(tài)相關(guān)。在半導(dǎo)體表面處的禁帶中存在著表面態(tài)，對應(yīng)的能級稱為表面能級。受主型：含有空穴，未電離時呈電中性，電離后帶負(fù)電。表面態(tài)施主型：被電子占據(jù)，電離后帶正電；通常，表面態(tài)位于禁帶寬度的1/3處；如果 以上存在受主表面態(tài)，則 到EF的能級幾乎被電子填滿；在半導(dǎo)體表面出現(xiàn)正的空間電荷區(qū)，所形成勢壘高度恰好與表面態(tài)上的負(fù)電荷與勢壘區(qū)正電荷數(shù)相等。如果表面態(tài)密度很高，表面態(tài)上就會積累很多的負(fù)電荷，此時勢壘高度稱為高表面態(tài)密度釘扎。第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸當(dāng)半導(dǎo)體表面態(tài)密度很高時，能屏蔽金屬接觸的影響

7、，使半導(dǎo)體內(nèi)的勢壘高度和金屬的功函數(shù)幾乎無關(guān)；接觸電勢差全部降落在兩個表面之間；第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸處于平衡態(tài)的阻擋層中是沒有凈電流流過的：從半導(dǎo)體流入金屬的電子和從金屬流入半導(dǎo)體的電子數(shù)相等，方向相反。外加電壓V，壓降全落在阻擋層上，電子勢壘高度為：半導(dǎo)體-金屬間的費(fèi)密能級發(fā)生劈裂，能級差等于外加電壓所引起的靜電勢能差。加正向電壓，半導(dǎo)體一側(cè)勢壘降低為 ，出現(xiàn)從半導(dǎo)體到金屬的凈電流；外加正向電壓越高，勢壘下降越多，正向電流越大。第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸外加反向電壓，勢壘增高到 ，從半導(dǎo)體到金屬的電子數(shù)減小，出現(xiàn)由金屬到半導(dǎo)體的反向電流；金屬中的電子需要越過的 勢壘才能進(jìn)入半導(dǎo)體，故反

8、向電流較小。由于金屬一側(cè)的勢壘不隨外加電壓改變，所以從金屬到半導(dǎo)體的電子流是恒定的，即具有類似于pn結(jié)的整流作用。第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸n型阻擋層很薄時，起決定作用的是勢壘高度。熱電子發(fā)射就是熱激發(fā)下體內(nèi)電子越過表面勢壘的載流子。單位能量球殼能的電子數(shù)為：電子的速度為v，在單位體積單位速度范圍內(nèi)的電子數(shù)！第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸麥克斯韋速度分布這些電子需要越過勢壘才能進(jìn)入金屬：從半導(dǎo)體到金屬的電流為：有效Richadson常數(shù)第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸有效Richadson常數(shù)電子從金屬到半導(dǎo)體的勢壘不隨外加電壓改變：總電流密度為與外加電壓無關(guān)，與溫度相關(guān)(熱發(fā)射)第七章 金屬和半導(dǎo)體的

9、接觸金屬-半導(dǎo)體接觸具有整流特性的二極管稱為肖特基勢壘二極管。pn結(jié)正向?qū)〞r，由p區(qū)注入n區(qū)的空穴和由n區(qū)注入p區(qū)的電子都是少數(shù)載流子。它們現(xiàn)在結(jié)區(qū)邊界上有一定積累，再向體內(nèi)擴(kuò)散形成電流。這種非平衡載流子的積累又稱電荷存儲效應(yīng)，會嚴(yán)重影響到pn結(jié)的高頻性能。肖特基勢壘二極管的正向電流是由多數(shù)載流子流入金屬形成；正向?qū)〞r，從半導(dǎo)體越過界面進(jìn)入金屬的電子并不發(fā)生積累，而是直接漂移過去稱為漂移電流，故具有更好的高頻特性。在相同勢壘高度下，肖特基二極管的反向飽和電流要比pn大得多，說明肖特基二極管具有較低的正向?qū)妷?。第七?金屬和半導(dǎo)體的接觸所以，肖特基勢壘二極管在高速集成電路、微波技術(shù)等領(lǐng)域

10、都有很重要的應(yīng)用；用金屬-半導(dǎo)體勢壘作為控制柵極，制成肖特基勢壘柵場效應(yīng)管。GaAs勢壘柵場效應(yīng)晶體管的功率和噪聲性能能比GaAs晶體管好！第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸擴(kuò)散理論給出了電流產(chǎn)生的原因：對于n型阻擋層，體內(nèi)電子濃度為n0，接觸界面處的電子濃度為：說明接觸電勢差越大，體內(nèi)載流子通過阻擋層向接觸面擴(kuò)散的電子越少；在同一金屬-半導(dǎo)體接觸中，體內(nèi)和界面的電子濃度差異引起電子由內(nèi)入向接觸面擴(kuò)散，平衡時正好把勢壘中的內(nèi)建電場抵消；加正向電壓，勢壘降低，內(nèi)建電場作用減弱，擴(kuò)散占優(yōu)勢，使電子向接觸面流動形成正向電流。第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸擴(kuò)散理論給出了電流產(chǎn)生的原因：對于n型阻擋層，空穴為少數(shù)載

11、流子，電子的阻擋層就是空穴的積累層，接觸面上空穴的濃度為：接觸面上空穴濃度高，而體內(nèi)濃度低，使得空穴從界面向體內(nèi)擴(kuò)散，平衡時也恰好被電場作用抵消加正向電壓時，勢壘降低，空穴擴(kuò)散占主導(dǎo)，形成由接觸面到體內(nèi)的空穴電流；該電流與電子電流方向一致，正向電流有一部分是由少數(shù)載流子空穴提供的。第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸空穴電流的大小取決于阻擋層中的空穴濃度；當(dāng)勢壘足夠高VD時，接觸面上的空穴濃度就很高；平衡時，如果費(fèi)米面正好處于禁帶中線處，說明阻擋層內(nèi)的電子濃度和空穴濃度相當(dāng)，此時空穴電流不能忽略；加正向電壓，空穴將由金屬流向半導(dǎo)體，先在阻擋層內(nèi)不斷積累，再向半導(dǎo)體的體內(nèi)擴(kuò)散；擴(kuò)散越快，少數(shù)載流子產(chǎn)生的電

12、流越大，該現(xiàn)象稱為少數(shù)載流子的注入。空穴從金屬注入半導(dǎo)體，相當(dāng)于半導(dǎo)體價帶頂部附近的電子流向金屬，填充金屬費(fèi)米能級以下的空能級，在半導(dǎo)體價帶頂留下空穴。第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸探針接觸分析表明，如果接觸球面半徑越小(探針的曲率半徑)，注入少數(shù)載流子的擴(kuò)散要比平面接觸強(qiáng)很多；點(diǎn)接觸容易得到高效率的少子注入，所以少數(shù)載流子的注入及測試實驗中應(yīng)盡量采用探針接觸；在用金屬電極與半導(dǎo)體接觸測半導(dǎo)體電阻率時，應(yīng)盡量避免少數(shù)載流子的注入，應(yīng)盡量增大表面復(fù)合。第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸還有一種金屬-半導(dǎo)體的接觸，屬于非整流接觸；不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，不會使半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著改變。理想的歐姆接觸要求接觸電阻比半導(dǎo)體或器件本身小很多，電流流過時，歐姆接觸上的電壓降遠(yuǎn)小于器件上的壓降，幾乎不影響器件的I-V屬性。歐姆接觸是超高頻、大功率器件設(shè)計和制造的關(guān)鍵問題。第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸不考慮表面態(tài)的影響：當(dāng) ，金屬和n型半導(dǎo)體接觸可形成反阻擋層；當(dāng) ，金屬和p型半導(dǎo)體接觸可形成反阻擋層；反阻擋層沒有整流作用，可以通過選用合適功函數(shù)的金屬形成歐姆接觸；但最常見的半導(dǎo)體都有很高的表面態(tài)密度，與金屬接觸