金屬和半導(dǎo)體接觸

1、關(guān)于金屬和半導(dǎo)體的接觸第一張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月主要內(nèi)容7.1 金屬和半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖7.2 金屬和半導(dǎo)體接觸整流理論 7.3少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸掌握阻擋層與反阻擋層的形成，肖特基勢(shì)壘的定量特性，歐姆接觸的特性。第二張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 一、功函數(shù)1.金屬的功函數(shù)Wm金屬的功函數(shù)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要的最小能量。E0(EF)mWmE0為真空中電子的能量，又稱為真空能級(jí)。7.1 金屬和半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖金屬中的電子在勢(shì)阱中運(yùn)動(dòng)第三張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.半導(dǎo)體的功函數(shù)Ws

2、E0與費(fèi)米能級(jí)之差稱為半導(dǎo)體的功函數(shù)。表示從Ec到E0的能量間隔：稱為電子的親和能，它表示要使半導(dǎo)體導(dǎo)帶底的電子逸出體外所需要的最小能量。Ec(EF)sEvE0WsEn第四張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月式中：N型：半導(dǎo)體Ec(EF)sEvE0WsEn第五張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月P型半導(dǎo)體：第六張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月設(shè)想有一塊金屬和一塊N型半導(dǎo)體，并假定金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)，即：二、金屬與半導(dǎo)體的接觸及接觸電勢(shì)差1. 阻擋層接觸第七張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月接觸前：E0 xWsEFsEcEnWmEFmEv第八張，PPT共

3、六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月半導(dǎo)體中的電子金屬+Vms稱為金屬與半導(dǎo)體接觸電勢(shì)差。接觸后：（間隙大）E0 xWsEFsEcEnWmEFmEvVms半導(dǎo)體電勢(shì)提高，金屬電勢(shì)降低，直到二者費(fèi)米能級(jí)相平第九張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月緊密接觸：EcEFEnqVdEvWsxq（Vs，Vm）空間電荷區(qū) E表面形成空間電荷區(qū),內(nèi)部產(chǎn)生自建電場(chǎng)。表面勢(shì)Vs：空間電荷區(qū)兩端的電勢(shì)差。第十張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月忽略間隙中的電勢(shì)差時(shí)的極限情形半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度為：金屬一邊的勢(shì)壘高度為：EcEFEnqVdEv（VsWs，半導(dǎo)體表面形成表面勢(shì)壘。在勢(shì)壘區(qū)，空間電荷主要由電離施主形

4、成，電子濃度比體內(nèi)小得多，是一個(gè)高阻區(qū)域，稱為阻擋層。界面處的勢(shì)壘通常稱為肖特基勢(shì)壘。EcEFEnqVdEvE第十二張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 反阻擋層接觸（歐姆接觸）若Wm0，能帶向下彎曲。這里電子濃度比體內(nèi)大得多，因而是一個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，稱之為反阻擋層。EcEFWs-WmEvx-WmE第十三張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月金屬與P型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若WmWs，能帶向上彎曲，形成P型反阻擋層。金屬與P型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若WmWs阻擋層反阻擋層Wm1017eV-1.cm-2 ),它可屏蔽金屬接觸的影響，使得勢(shì)壘高度與金屬功函數(shù)幾乎無關(guān)，而由半導(dǎo)體表面性質(zhì)決定。當(dāng)表面態(tài)

5、密度不是很高時(shí)，金屬功函數(shù)對(duì)勢(shì)壘高度產(chǎn)生不同程度的影響。第二十張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7.2 金屬和半導(dǎo)體接觸整流理論一.外加電壓對(duì)n型阻擋層（Vs0半導(dǎo)體側(cè)電子勢(shì)壘高度降低為-q（Vs）0+V)金屬側(cè)電子勢(shì)壘高度不變。電流方向M S，由S M的電子形成正向電流。第二十二張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3.加反向電壓V0， 形成電子由半導(dǎo)體到金屬的正向電流； 電流方向：金屬半導(dǎo)體p型：金屬極加負(fù)電壓V0, 勢(shì)壘寬度 xd隨V增加而減小，半導(dǎo)體 側(cè)勢(shì)壘降低。V0時(shí)，界面處半導(dǎo)體側(cè)勢(shì)壘高度降低,電子濃度:當(dāng)V0時(shí)，由半金的電子流密度:金屬一側(cè)勢(shì)壘高度不變，實(shí)際凈正向電流

6、密度為：其中：第三十八張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月令其中：第三十九張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3.兩個(gè)理論模型的比較1、擴(kuò)散理論的： J = J exp(qV kT ) 1 JSD不飽和， 與外加電壓相關(guān)。 熱電子發(fā)射理論：J = J exp( qV / kT ) 1 JsT與外加電壓無關(guān)，但強(qiáng)烈依賴于溫度。2、擴(kuò)散理論適于勢(shì)壘區(qū)寬度遠(yuǎn)大于電子的平均自由程的半導(dǎo)體,如氧化亞銅，非晶硅。熱電子發(fā)射理論適于勢(shì)壘區(qū)寬度遠(yuǎn)小于電子的平均自由程的半導(dǎo)體，如Ge、Si、GaAs等。第四十張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三.理論模型與實(shí)測(cè)結(jié)果的偏差（影響因素）1.鏡像力

7、的影響：在金屬、真空系統(tǒng)中，一個(gè)在金屬外面的電子，要在距離金屬表面同樣距離（在金屬內(nèi)部）感應(yīng)出等量的正電荷，這個(gè)正電荷稱為鏡像電荷，電子和鏡像電荷之間的吸引力稱為鏡像力。第四十一張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月鏡像力引起的勢(shì)壘降低，并隨反向電壓的增加而增大。從而使反向電流增加。鏡像力在反向電壓比較大的情況下（VVD），鏡像力效應(yīng)才比較明顯，它主要對(duì)反向特性影響大。第四十二張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.隧道效應(yīng)的影響能量低于勢(shì)壘頂?shù)碾娮佑幸欢◣茁蚀┻^這個(gè)勢(shì)壘，穿過的幾率取決于電子的能量和勢(shì)壘的厚度。隧道效應(yīng)引起的勢(shì)壘降低隨反向電壓的增加而增大從而使反向電流增加。它主要對(duì)

8、反向特性影響比較大。超薄勢(shì)壘對(duì)載流子無阻擋能力，電子可以自由穿過勢(shì)壘。通過半導(dǎo)體表面重?fù)诫s可以獲得超薄勢(shì)壘，形成隧道電流，從而制備可獲得歐姆接觸。第四十三張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月四.肖特基勢(shì)壘二極管利用肖特基效應(yīng)由金半整流接觸制作的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管。1.特點(diǎn)（與pn結(jié)二極管相比）： 1）它是多子器件，較好的高頻特性。 2）有較低的正向?qū)妷海?.3V左右）。2.應(yīng)用： 高速集成電路，微波器件等。第四十四張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7.3少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸1、少數(shù)載流子的注入n型阻擋層擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)電子空穴第四十五張，PPT共

9、六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)正向電壓較小時(shí)，電場(chǎng)較小，漂移電流較小， J擴(kuò)J漂多子擴(kuò)散電流遠(yuǎn)高于少子擴(kuò)散電流，通常忽略少子擴(kuò)散電流。正向電流為多子擴(kuò)散電流?？昭娏髅芏龋寒?dāng)正向電壓足夠高時(shí)，電場(chǎng)較大，電場(chǎng)引起很大的載流子漂移電流，使得少數(shù)載流子電流在電流中起主導(dǎo)作用。第四十六張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月對(duì)n型阻擋層，小注入時(shí)：少數(shù)載流子注入比：為了降低 必須采用有高的ND （相當(dāng)于低電阻率材料）和小的ni（相當(dāng)于寬禁帶材料）的金屬-半導(dǎo)體系統(tǒng) 。 第四十七張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、歐姆接觸1）歐姆接觸： 不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，電流在其上的產(chǎn)生的壓降遠(yuǎn)小于在

10、器件本身上所產(chǎn)生的壓降。2）歐姆接觸的重要性： 作為器件引線的電極接觸，要求在金屬和半導(dǎo)體之間形成良好的歐姆接觸。在超高頻和大功率器件中，歐姆接觸是設(shè)計(jì)和制造中的關(guān)鍵問題之一。 第四十八張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3）歐姆接觸的制備方法（1）選擇適當(dāng)金屬，使其和半導(dǎo)體形成反阻擋層。n型WmWs因半導(dǎo)體存在高密度表面態(tài)，實(shí)際很難做到形成反阻擋層。第四十九張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（2）利用隧道效應(yīng)半導(dǎo)體表面高摻雜。電子遂穿勢(shì)壘的幾率取決于：電子能量和勢(shì)壘寬度。勢(shì)壘寬度：當(dāng)摻雜濃度很高時(shí)，勢(shì)壘很窄，形成很大的隧道電流：第五十張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月高

11、摻雜時(shí),接觸電阻當(dāng)ND 1019cm3時(shí)，接觸電阻強(qiáng)烈依賴于摻雜濃度；濃度越高，電阻越低。第五十一張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月低、中等摻雜時(shí)，對(duì)勢(shì)壘接觸，電流適于熱電子發(fā)射理論，接觸電阻：當(dāng)N 1017cm3 接觸電阻與摻雜濃度無關(guān)。第五十二張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月形成歐姆接觸的方法 在半導(dǎo)體表面薄層形成高摻雜層， 通常做成M/n+/n 或M/p+/p結(jié)構(gòu)獲得良好的歐姆接觸。金屬（或合金、金屬硅化物）可采用蒸發(fā)、濺射、電鍍等。半導(dǎo)體表面粗磨或噴砂，表面形成大量復(fù)合中心。使表面耗盡區(qū)的復(fù)合成為控制電流的主要機(jī)構(gòu)，接觸電阻大大降低，近似稱為歐姆接觸。選擇低勢(shì)壘歐姆接

12、觸。第五十三張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月小 結(jié)需掌握的公式（由n型半導(dǎo)體推導(dǎo)）： 半導(dǎo)體側(cè)勢(shì)壘高度(Wm Ws): 金屬側(cè)勢(shì)壘高度肖特基模型巴丁模型第五十四張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月熱電子發(fā)射理論I/V特性其中JST與外加電壓無關(guān)，但強(qiáng)烈依賴于溫度。擴(kuò)散理論I/V特性其中JSD不飽和， 與外加電壓相關(guān)第五十五張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月耗盡層寬度：勢(shì)壘區(qū)寬度隨摻雜濃度的增加而減小，隨反向電壓的增加而增大，正向電壓的增加而減小接觸電阻：高摻雜形成隧道效應(yīng)常用來制備制備歐姆，其接觸電阻隨摻雜濃度增加而減小第五十六張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月

13、基本概念1.表面態(tài) 施主型電子占滿時(shí)呈中性，失去電子帶正電。 受主型能級(jí)空時(shí)為電中性，接受電子帶負(fù)電。2.表面態(tài)能級(jí) : 電子剛好填滿其下的所有態(tài)時(shí)呈中性。 EF位于 以上，表面態(tài)為受主型， EF位于 以下，為施主型，3.擴(kuò)散理論適用于勢(shì)壘區(qū)寬度遠(yuǎn)大于電子的平均自由程的半導(dǎo)體。熱電子發(fā)射理論適用于勢(shì)壘區(qū)寬度遠(yuǎn)小于電子的平均自由程的半導(dǎo)體，常用半導(dǎo)體Ge、Si、GaAs適用于熱電子發(fā)射理論。第五十七張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月基本理論金屬與n型半導(dǎo)體接觸 WmWs 表面電子濃度低阻擋層 WmWs 表面電子濃度高反阻擋金屬與P型半導(dǎo)體接觸 WmWs 表面空穴濃度高反阻擋層第五十八張，

14、PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月阻擋層的整流理論1）阻擋層具有整流特性；2）正向電流為半導(dǎo)體多子形成的電流；3）n型: 金屬極加正電壓，V0， 形成電子半導(dǎo)體 金屬的正向電流； 電流方向：從金屬 半導(dǎo)體 p型：金屬極加負(fù)電壓V0， 形成空穴由半導(dǎo)體 金屬的正向電流； 正向電流方向：半導(dǎo)體 金屬 鏡象力和隧道效應(yīng)均對(duì)反向特性的影響顯著， 勢(shì)壘降低使反向電流增大。第五十九張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月作業(yè)P194 3，4 ，7，8.第六十張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月課堂思考題金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)是如何定義的？半導(dǎo)體的功函數(shù)與哪些因素有關(guān)？分析n型和p型半導(dǎo)體形成阻擋

15、層于反阻擋層的條件。分別畫出半導(dǎo)體與金屬接觸時(shí)的能帶圖（分為WsWm和WsWm，并忽略表面態(tài)的影響）什么叫歐姆接觸？金屬與重?fù)诫s的半導(dǎo)體能形成歐姆接觸，簡(jiǎn)單其物理原理。什么叫少數(shù)載流子注入效應(yīng)？鏡像力和隧道效應(yīng)如何影響金-半接觸勢(shì)壘的？比較擴(kuò)散理論和熱電子發(fā)射理論在解決肖特基二極管整流特性時(shí)區(qū)別在什么地方？畫圖說明肖特基勢(shì)壘高度，并指出在一般情況下，它與哪些物理量有關(guān)？第六十一張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月習(xí)題課例1設(shè)p型硅NA=1017/cm3，試求: (1)室溫下費(fèi)米能級(jí)的位置和功函數(shù) （2）不計(jì)表面態(tài)的影響，求該p型硅分別與鉑（Pt）和銀（Ag）接觸后是否形成阻擋層？（3）如

16、果能形成阻擋層，求半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度。 已知：WAg=4.81eV， WPt=5.36eV， Nv=1019/cm3 Eg=1.12eV,硅的電子親和能X=4.05eV例2有n型硅與某一金屬形成肖特基二極管，其參數(shù)為Wm=4.7eV， X=4.0eV, Nc=1019/cm3 , Nc=1019/cm3ND=1015/cm3 ,硅的相對(duì)介電常數(shù)r=12，忽略表明態(tài)，計(jì)算室溫下：（1）零偏時(shí)勢(shì)壘高度接觸電勢(shì)差和勢(shì)壘寬度。（2）正偏為0.2V時(shí)的熱發(fā)射電流。設(shè)A*/A=2.1， A=120A/cm3第六十二張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月例3 NA=1017/cm3 的p型鍺，室溫下功函數(shù)為多少？，不考慮表面態(tài)的影響，它分別和Al、Au、Pt接觸時(shí)形成阻擋層還是反阻擋層？鍺的電子親和能為4.13eV。設(shè)WAl=4.18eV, WAu=5.20eV, WPt=5.43eV.例4 有n型硅與某一金屬形成肖特基二極管，已知其接觸后半導(dǎo)體一側(cè)的勢(shì)壘高度為0.50eV， ND=1015/cm3 ， Nc=2.81019/cm3 電子親和能為4.05eV，Lp=10m，D