第七章 金屬-半導(dǎo)體接觸

第七章金屬和半導(dǎo)體的接觸

1、金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖（1）金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)

在絕對(duì)零度時(shí)，金屬中的電子填滿了EF以下所有能級(jí)，而高于EF的能級(jí)則全空,在一定溫度下，只有EF附近的少數(shù)電子受熱激發(fā)，由低于EF的能級(jí)躍遷到高于EF的能級(jí)上，但絕大部分電子仍不能脫離金屬而逸出體外。

這說(shuō)明金屬中的電子雖然能在金屬中自由運(yùn)動(dòng)，但絕大多數(shù)所處的能級(jí)都低于體外能級(jí),要使電子從金屬中逸出，必須由外界給它足夠能量。所以，金屬內(nèi)部電子是在勢(shì)阱中運(yùn)動(dòng)。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)。半導(dǎo)體的功函數(shù)WsE0與費(fèi)米能級(jí)之差稱為半導(dǎo)體的功函數(shù)。Ec(EF)sEvE0χWsχ表示從Ec到E0的能量間隔：稱χ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。EnEp式中：n型半導(dǎo)體：Ec(EF)sEvE0χWsEnEpp型半導(dǎo)體：Ec(EF)sEvE0χWsEnEpn型半導(dǎo)體：p型半導(dǎo)體：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：（2）接觸電勢(shì)差接觸前：Ec(EF)sEvE0χWsEnWm(EF)mVs為表面勢(shì)半導(dǎo)體中的電子金屬—+接觸后：半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度為：金屬一邊的勢(shì)壘高度為：EnEcEv(EF)sqVDqΦnsWmχ金屬與n型半導(dǎo)體接觸接觸電勢(shì)差Vs=Ws-WmWm>Ws→形成表面勢(shì)壘勢(shì)壘區(qū)電子濃度比體內(nèi)小得多→高阻區(qū)(阻擋層)。界面處的勢(shì)壘通常稱為肖特基勢(shì)壘。若Wm<WsEc(EF)sEvE0χWsEnWm(EF)m金屬與n型半導(dǎo)體接觸時(shí)EnEcEv(EF)sqVDX-Wm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。金屬與p型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若Wm>Ws，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Wm<Ws，形成空穴的表面勢(shì)壘。在勢(shì)壘區(qū)，空間電荷主要由電離受主形成，空穴濃度比體內(nèi)小得多，也是一個(gè)高阻區(qū)域，形成P型阻擋層。n型p型Wm>Ws阻擋層反阻擋層Wm<Ws反阻擋層阻擋層上述金半接觸模型即為Schottky模型：（3）表面態(tài)對(duì)接觸勢(shì)壘的影響這說(shuō)明：金屬功函數(shù)對(duì)勢(shì)壘高度影響不大不同金屬，雖功函數(shù)相差很大，但與半導(dǎo)體接觸，形成勢(shì)壘的高度相差很小原因：半導(dǎo)體表面存在表面態(tài)從能帶的角度進(jìn)行解釋

基本概念：表面能級(jí)：在半導(dǎo)體表面處的禁帶中存在著表面態(tài)，對(duì)應(yīng)的能級(jí)成為表面能級(jí)。施主型表面態(tài)：能級(jí)被電子占據(jù)時(shí)呈電中性，施放電子后呈正電性。受主型表面態(tài)：能級(jí)空著時(shí)為電中性，施放電子后呈負(fù)電性。表面態(tài)在半導(dǎo)體表面禁帶中形成一定的分布電子恰好填滿qΦ0以下的所有表面態(tài)-----表面呈電中性qΦ0以下的表面態(tài)空著時(shí)-----表面帶正電-----施主型qΦ0以上的表面態(tài)被電子填充時(shí)-----表面帶負(fù)電-----受主型-+表面態(tài)密度很大時(shí)表面積累很多負(fù)電荷能帶向上彎曲表面處EF很接近qΦ0（1）流入金屬的電子并不是來(lái)自于半導(dǎo)體體內(nèi)，而是由受主表面態(tài)提供(2)半導(dǎo)體的表面態(tài)可屏蔽金屬接觸的作用，使半導(dǎo)體內(nèi)的勢(shì)壘高度和金屬的功函數(shù)幾乎無(wú)關(guān)。（3）接觸電勢(shì)差全部降落在兩個(gè)表面之間。實(shí)際上：由于表面態(tài)密度的不同，接觸電勢(shì)差部分降落在半導(dǎo)體表面以內(nèi)，金屬功函數(shù)會(huì)對(duì)表面勢(shì)壘產(chǎn)生影響，但影響不大。因此即使當(dāng)Wm<Ws時(shí)，也可能形成n型阻擋層。整流理論-阻擋層平衡態(tài)阻擋層—無(wú)凈電流2、金屬半導(dǎo)體接觸整流理論在金屬和半導(dǎo)體之間

加上外加電壓？從半導(dǎo)體進(jìn)入金屬的電子流從金屬進(jìn)入半導(dǎo)體的電子流以n型半導(dǎo)體為例：阻擋層為高阻區(qū)域—外加電壓主要降落在阻擋層平衡態(tài)時(shí)：表面勢(shì)VS<0勢(shì)壘高度qVD=-qVs外加正電壓：V>0則勢(shì)壘高度降低為qVD，=-q(Vs+V)外加一個(gè)負(fù)電壓V<0，勢(shì)壘高度增加Ec(EF)sqΦns-q(Vs+V)qVD外加電壓下，平衡狀態(tài)被打破，金屬半導(dǎo)體沒(méi)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。半導(dǎo)體內(nèi)部費(fèi)米能級(jí)和金屬費(fèi)米能級(jí)之差，等于由外加電壓所引起的靜電勢(shì)能差。加正向電壓，形成一股從金屬到半導(dǎo)體的正電流，由多數(shù)載流子電子構(gòu)成。加反向電壓，形成一股從半導(dǎo)體到金屬的反向電流，金屬中電子需越過(guò)勢(shì)壘，電流很小且恒定。（2）理論解釋①擴(kuò)散理論對(duì)于n型阻擋層，當(dāng)勢(shì)壘的寬度遠(yuǎn)大于電子平均自由程，電子通過(guò)勢(shì)壘區(qū)發(fā)生多次碰撞，這樣的阻擋層稱為厚阻擋層。-------------擴(kuò)散理論適用于厚阻擋層。勢(shì)壘區(qū)存在電場(chǎng)，有電勢(shì)變化，載流子濃度不均勻。計(jì)算通過(guò)勢(shì)壘的電流時(shí)，必須同時(shí)考慮漂移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。勢(shì)壘區(qū)的電勢(shì)分布是比較復(fù)雜的,當(dāng)勢(shì)壘高度遠(yuǎn)大于k0T時(shí)，勢(shì)壘區(qū)可近似為一個(gè)耗盡層。耗盡層中，載流子極少，雜質(zhì)全電離，空間電荷完全由電離雜質(zhì)的電荷形成。若半導(dǎo)體是均勻摻雜的，那么耗盡層中的電荷密度也是均勻的，等于qND。當(dāng)外加電壓V和表面勢(shì)Vs符號(hào)相同時(shí)，不僅勢(shì)壘高度增加，且寬度也相應(yīng)增加，勢(shì)壘寬度也稱為勢(shì)壘厚度。這種厚度依賴于外加電壓的勢(shì)壘稱作肖特基勢(shì)壘。擴(kuò)散理論適用于載流子遷移率?。ㄆ骄杂沙梯^短）的半導(dǎo)體—氧化亞銅

②熱電子發(fā)射理論當(dāng)n型阻擋層很薄，電子平均自由程遠(yuǎn)大于勢(shì)壘寬度時(shí)--------擴(kuò)散理論不適用，電子在勢(shì)壘區(qū)的碰撞可以忽略。勢(shì)壘形狀不再重要----------勢(shì)壘的高度起絕對(duì)作用。電流的計(jì)算歸結(jié)為計(jì)算超越勢(shì)壘高度的載流子數(shù)目。其中A*為有效理查遜常數(shù)。熱電子發(fā)射理論適用于具有較高載流子遷移率（比較大自由程）的半導(dǎo)體---如Si、Ge、GaAs。

③鏡像力和隧道效應(yīng)的影響實(shí)際上電流隨反向電壓的增加比理論值更為明顯。原因：采用了高度理想模型如精確描述性能需考慮鏡像力和隧道效應(yīng)的影響。鏡像力和隧道效應(yīng)對(duì)伏-安特性的影響基本相同。它們引起勢(shì)壘高度的降低，使反向電流增大，且隨反向電壓提高，勢(shì)壘降低更為明顯。若電子距金屬表面的距離為x，則它與感應(yīng)正電荷之間的吸引力，相當(dāng)于該電子與位于(–x)處的等量正電荷之間的吸引力，這個(gè)正電荷稱為鏡像電荷。在金屬–真空系統(tǒng)中，一個(gè)在金屬外面的電子，要在金屬表面感應(yīng)出正電荷，同時(shí)電子要受到正電荷的吸引。（1）鏡像力的影響鏡像電荷電子–x′nx鏡像電荷這個(gè)吸引力稱為鏡像力，它應(yīng)為把電子從x點(diǎn)移到無(wú)窮遠(yuǎn)處，電場(chǎng)力所做的功半導(dǎo)體和金屬接觸時(shí)，在耗盡層中，選(EF)m為勢(shì)能零點(diǎn)，由于鏡像力的作用，電子的勢(shì)能qΔΦqΦns(EF)m0無(wú)鏡像力有鏡像力xm鏡像勢(shì)能平衡時(shí)鏡像力對(duì)勢(shì)壘的影響x電勢(shì)能在xm處出現(xiàn)極大值，這個(gè)極大值發(fā)生在作用于電子上的鏡像力和電場(chǎng)力相平衡的地方，即若,從上式得到勢(shì)壘頂向內(nèi)移動(dòng)，并且引起勢(shì)壘的降低q

。勢(shì)能的極大值小于qΦns。這說(shuō)明，鏡象力使當(dāng)反向電壓較高時(shí)，勢(shì)壘的降低變得明顯，鏡像力的影響顯得重要。鏡像力所引起的勢(shì)壘降低量隨反向電壓的增加而緩慢地增大不考慮鏡像力的影響時(shí)考慮鏡像力的影響時(shí)JsD中的變?yōu)閂,JsD

（2）隧道效應(yīng)的影響能量低于勢(shì)壘頂?shù)碾娮佑幸欢ǜ怕蚀┻^(guò)勢(shì)壘，穿透的概率與電子能量和勢(shì)壘厚度有關(guān)隧道效應(yīng)的簡(jiǎn)化模型對(duì)于一定能量的電子，存在一個(gè)臨界勢(shì)壘厚度xc,若xd>xc,則電子完全不能穿過(guò)勢(shì)壘；若xd<xc,則勢(shì)壘對(duì)于電子完全透明，即勢(shì)壘降低了.金屬一邊的有效勢(shì)壘高度為-qV(x),若xc<<xd隧道效應(yīng)引起的勢(shì)壘降低為反向電壓較高時(shí)，勢(shì)壘的降低才明顯④肖特基勢(shì)壘二極管肖特基勢(shì)壘二極管：利用金屬-半導(dǎo)體整流接觸特性制成的二極管。肖特基勢(shì)壘二極管與pn結(jié)二極管的區(qū)別：（1）多數(shù)載流子器件和少數(shù)載流子器件（2）無(wú)電荷存貯效應(yīng)和有電荷存貯效應(yīng)（3）高頻特性好。（4）正向?qū)妷盒?。P電子擴(kuò)散區(qū)結(jié)區(qū)空穴擴(kuò)散區(qū)N

3少數(shù)載流子的注入與歐姆接觸①少數(shù)載流子的注入n型阻擋層，體內(nèi)電子濃度為n0。金半接觸截面電子濃度：該濃度差引起電子由內(nèi)部向接觸面擴(kuò)散。平衡時(shí)擴(kuò)散和勢(shì)壘電場(chǎng)引起的漂移抵消。正向偏壓下，擴(kuò)散占據(jù)優(yōu)勢(shì)，電子向表面流動(dòng)，形成正向電流。多子的情況空穴的濃度在表面最大

n型半導(dǎo)體的勢(shì)壘和阻擋層都是對(duì)電子而言，由于空穴所帶電荷與電子電荷符號(hào)相反，電子的阻擋層就是空穴的積累層。少子的情況該濃度差引起空穴由表面向體內(nèi)擴(kuò)散。平衡時(shí)擴(kuò)散和勢(shì)壘電場(chǎng)引起的漂移抵消。正向偏壓下，擴(kuò)散占據(jù)優(yōu)勢(shì)，空穴向體內(nèi)流動(dòng)，也形成正向電流。

空穴電流的大小，首先決定于阻擋層中的空穴濃度。只要?jiǎng)輭咀銐蚋?，靠近接觸面的空穴濃度就可以很高。由以上討論可知：部分正向電流是由少數(shù)載流子空穴荷載的。Ec(0)Ev(0)EcEFEvn型反型層中的載流子濃度如果在接觸面附近，費(fèi)米能級(jí)和價(jià)帶頂?shù)木嚯x則p(0)值應(yīng)和n0值相近，n(0)也近似等于p0Ec(0)Ev(0)EcEFEvn型反型層中的載流子濃度勢(shì)壘中空穴和電子所處的情況幾乎完全相同，只是空穴的勢(shì)壘頂在阻擋層的內(nèi)邊界。

在加正向電壓時(shí)，空穴將流向半導(dǎo)體，但它們并不能立即復(fù)合，必然要在阻擋層內(nèi)界形成一定的積累，然后再依靠擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)部。(EF)mEc積累擴(kuò)散少數(shù)載流子的積累(EF)s上圖說(shuō)明這種積累的效果顯然是阻礙空穴的流動(dòng)。因此，空穴對(duì)電流貢獻(xiàn)的大小還決定于空穴進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)擴(kuò)散的效率。在金屬和n型半導(dǎo)體的整流接觸上加正電壓時(shí)，就有空穴從金屬流向半導(dǎo)體。這種現(xiàn)象稱為少數(shù)載流子的注入。

空穴從金屬注入半導(dǎo)體，實(shí)質(zhì)上是半導(dǎo)體價(jià)帶頂部附近的電子流向金屬，填充金屬中(EF)m以下的空能級(jí)，而在價(jià)帶頂附近產(chǎn)生空穴。②歐姆接觸定義：不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，不會(huì)使半導(dǎo)體內(nèi)部載流子濃度發(fā)生顯著改變。技術(shù)路線設(shè)計(jì)：反阻擋層？隧道效應(yīng)？半導(dǎo)體在重?fù)诫s時(shí)，和金屬的接觸可以形成接近理想的歐姆接觸。在半導(dǎo)體上制作一層重?fù)诫s區(qū)后再與金屬