半導(dǎo)體物理 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ContactbetweenMetalandSemiconductor哈爾濱工業(yè)大學(xué)微電子科學(xué)與技術(shù)系重點(diǎn)：1、阻擋層與反阻擋層的形成2、肖特基勢(shì)壘的定量特性3、歐姆接觸的特性§7.1金屬-半導(dǎo)體接觸和能帶圖ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram學(xué)習(xí)重點(diǎn)：功函數(shù)電子親和勢(shì)接觸電勢(shì)勢(shì)壘阻擋層與反阻擋層哈爾濱工業(yè)大學(xué)微電子科學(xué)與技術(shù)系MetalInsulatorSemiconductorSemicoductor(a)基于平面工藝的金屬-半導(dǎo)體接觸結(jié)構(gòu)透視圖(b)金屬-半導(dǎo)體接觸結(jié)構(gòu)一維結(jié)構(gòu)圖Metal1、金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)金屬功函數(shù)Wm：起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小能量。

Wm=E0-(EF)m半導(dǎo)體功函數(shù)Ws

：真空能級(jí)與半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)之差。

Ws=E0–(EF)s電子親合能χ：半導(dǎo)體導(dǎo)帶底的電子逸出體外所需的最小能量。E0EcEvWsχEn(EF)sWm(EF)m2、接觸電勢(shì)差假設(shè)金屬和n型半導(dǎo)體相接觸，且Wm>WsE0EcEvWsχEn(EF)sWmEFm接觸勢(shì)壘：故接觸電勢(shì)差3、理想金屬–半導(dǎo)體接觸E0EcEvWsχEnEFsWmEFmqφns=Wm-χE0EcEvWsχEnEFsWmEFmqφns=Wm-χqVD=Wm-Ws金屬與半導(dǎo)體材料緊密接觸。熱平衡條件下，兩種材料具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，同時(shí)真空能級(jí)具有連續(xù)性。金屬-半導(dǎo)體接觸能帶結(jié)構(gòu)如圖所示。導(dǎo)帶底電子向金屬運(yùn)動(dòng)時(shí)必須越過的勢(shì)壘高度：

qVD=Wm–Ws

金屬一側(cè)的電子運(yùn)動(dòng)到半導(dǎo)體一側(cè)需要越過的勢(shì)壘高度：

qφns

=Wm-χ金屬-半導(dǎo)體接觸的重要參數(shù)：肖特基勢(shì)壘（1）理想金屬-半導(dǎo)體接觸能帶結(jié)構(gòu)理想金屬-半體接觸由三個(gè)區(qū)域組成：

①金屬電子積累區(qū)

②半導(dǎo)體空間電荷區(qū)

③半導(dǎo)體中性區(qū)在耗盡層近似條件下：（2）理想金屬-半導(dǎo)體接觸靜電特性①②③空間電荷密度ρ(x)0xdx0xdx0xdx0xdx

qND

ND

ni2/ND

n(x)

p(x)

n0

p0

V(x)

E(x)

qVDρ(x)0xdx0xdx0xdx0xdx

qND

ND

ni2/ND

n(x)

p(x)

n0

p0

V(x)

E(x)

qVD①②③空間電荷區(qū)電場強(qiáng)度空間電荷區(qū)電勢(shì)分布空間電荷區(qū)寬度設(shè)半導(dǎo)體中性區(qū)電勢(shì)為零ρ(x)0xdx0xdx0xdx0xdx

qND

ND

ni2/ND

n(x)

p(x)

n0

p0

V(x)

E(x)

qVD①②③空間電荷區(qū)載流子分布（a）電子阻擋層：Wm>Ws（1）金屬-n型半導(dǎo)體接觸E0EcEvWsχEnEFsWmEFmEFs電子阻擋層界面EF電子阻擋層界面EF電子阻擋層界面EvEvqVDqφm金屬一側(cè)的勢(shì)壘qφm=Wm-χ半導(dǎo)體一側(cè)的勢(shì)壘qVD=Wm-Ws（b）電子反阻擋層：Wm<WsEFsE0EcEvWsχEnWmEFmEF電子反阻擋層界面EcEvqVD=Ws-WmXD（a）空穴阻擋層：Wm<Ws（2）金屬-p型半導(dǎo)體接觸E0EcEvWsχWmEFmEFs空穴能量半導(dǎo)體一側(cè)勢(shì)壘：qVD=Ws-Wm空穴阻擋層EcEvEFqVD=Ws-WmXD（b）空穴反阻擋層：Wm>WsE0EcEvWsχWmEFmEFs空穴反阻擋層EcEvEFXD4、阻擋層與反阻擋層（a）電子阻擋層：Wm>Ws（b）電子反阻擋層：Wm>Ws（1）金屬-n型半導(dǎo)體接觸（a）空穴反阻擋層：Wm>Ws（b）空穴阻擋層：Wm>Ws（2）金屬-p型半導(dǎo)體接觸5、表面態(tài)對(duì)接觸勢(shì)壘的影響由于晶格周期性在表面處中斷而出現(xiàn)的局（定）域在表面附近的電子態(tài)。表面態(tài)：

與表面態(tài)相應(yīng)的能級(jí)稱為表面能級(jí)。表面能級(jí)：受主型表面態(tài)：施主型表面態(tài)：

表面能級(jí)接受電子后帶負(fù)電，稱為~。

表面能級(jí)釋放電子后帶正電，稱為~?！?.2金屬-半導(dǎo)體接觸整流理論RectificationTheoryofMetal-SemiconductorContact學(xué)習(xí)重點(diǎn)：阻擋層的整流特性和整流理論

歐姆接觸哈爾濱工業(yè)大學(xué)微電子科學(xué)與技術(shù)系1、阻擋層的整流特性——外加電壓對(duì)阻擋層的作用VI0EF電子阻擋層界面EvEvqVDqφmE0EcEvWsχEnWmEFmEFs凈電流J=Js→m

–Jm→s=0接觸前接觸后（V=0）外加正向偏壓（金屬一側(cè)接正極）外加反向偏壓（半導(dǎo)體一側(cè)接正極）N型MetalN型Metal2、整流理論（1）擴(kuò)散理論：xd>>ln（2）熱電子發(fā)射理論：xd<<ln（1）擴(kuò)散理論

xd>>ln時(shí)，電子通過勢(shì)壘區(qū)將發(fā)生多次碰撞。勢(shì)壘高度qVD>>k0T時(shí)，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的載流子濃度近似等于零。耗盡層中的電荷密度：（1）

即（2）

代入泊松方程（3）

利用邊界條件：由（1）-（4）式及積分得到（4）（5）（6）（7）因?yàn)閤=0時(shí)當(dāng)外加偏壓V時(shí),由此可見，xd

隨外加電壓的變化而變化Schottky勢(shì)壘這種勢(shì)壘寬度隨外加電壓的變化而變化的勢(shì)壘就是Schottky勢(shì)壘。所以勢(shì)壘區(qū)電流密度方程：在等式兩邊同乘因子，得（8）（9）外加偏壓一定，即穩(wěn)態(tài)情況時(shí)J與x無關(guān)，對(duì)（9）式積分得：邊界條件如下：金屬-半導(dǎo)體接觸擴(kuò)散理論電流電壓方程：其中討論（1）V>0時(shí)如果（2）V<0時(shí)如果VI0Mg2Si-nSi與Al-nSi肖特基二極管V-I特性（2）熱電子發(fā)射理論

xd<<ln時(shí)，電子通過勢(shì)壘區(qū)的碰撞可以忽略。當(dāng)電子動(dòng)能大于勢(shì)壘頂部時(shí)，電子可以自由越過勢(shì)壘進(jìn)入另一邊——熱電子發(fā)射。假設(shè)qVD>>k0T。（a）Js→m

（b）Jm→s

（c）J=Js→m

-Jm→s（a）Js→m：單位體積中，能量在E~E+dE范圍內(nèi)的電子數(shù)為：利用又則假設(shè)電流沿x方向流動(dòng)，因此只有速度分量vx對(duì)電流有貢獻(xiàn)，同時(shí)vx需滿足以下條件：即電子的最小速度：于是，式中，（b）Jm→s：

金屬一側(cè)的勢(shì)壘qφns是恒定的，所以Jm→s是恒定的。V=0時(shí)，Js→m+Jm→s=0從而Jm→s=-Js→m

（V=0）

（c）總電流密度J其中擴(kuò)散理論與熱電子理論的差異JSD隨外加電壓而變化；對(duì)溫度的敏感程度不如JST。JST與外加電壓無關(guān)；對(duì)溫度很敏感

。實(shí)際情況反向電流不飽和VI0VI0理想情況反向電流飽和（3）鏡象力和隧道效應(yīng)的影響鏡象力的影響-x0+xx感應(yīng)鏡

象電荷感應(yīng)電荷對(duì)電子產(chǎn)生庫侖吸引力：產(chǎn)生的電子附加勢(shì)能為：（1）（2）（3）對(duì)于金-半接觸勢(shì)壘中的電子，附加勢(shì)能為：將勢(shì)能零點(diǎn)選在(EF)m，由于鏡象力的作用，電子所具有的電勢(shì)能為：（4）無鏡象力有鏡象力xmx0鏡象勢(shì)能將（3）式代入（4）式，則在xm處的電勢(shì)降落為：可見反向偏壓和摻雜較高時(shí)將導(dǎo)致勢(shì)壘最高點(diǎn)降落值

增大。半導(dǎo)體側(cè)有效勢(shì)壘高度金屬一邊有效勢(shì)壘高度隧道效應(yīng)的影響隧道效應(yīng)原理：能量低于勢(shì)壘頂?shù)碾娮佑幸欢◣茁蚀┻^這個(gè)勢(shì)壘，穿透的幾率與電子能量和勢(shì)厚度有關(guān)。①勢(shì)壘高度對(duì)隧道穿透幾率的影響金屬一邊的有效勢(shì)壘高度為：V>0時(shí)V<0時(shí)減小增大|V|↑|V|↓理想偏離理想②隧道厚度對(duì)隧道穿透幾率的影響隧道穿透的臨界厚度為：如果勢(shì)壘厚度小于xc，則勢(shì)壘對(duì)于電子是完全透明的，電子可以直接通過它。金屬一側(cè)的有效勢(shì)壘高度是-qV(xc)，若xc<<xd，則隧道效應(yīng)引起的勢(shì)壘降低為：3、肖特基二極管與pn結(jié)二極管的比較肖特基二極管與pn結(jié)二極管正向特性比較肖特基二極管為多子器件，不存在pn結(jié)二極管中非平衡載流子的電荷存貯效應(yīng)，具有較好的高頻特性。肖特基二極管的正向?qū)茈妷旱陀趐n結(jié)二極管?！?.3少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸RectificationTheoryofMetal-SemiconductorContact學(xué)習(xí)重點(diǎn)：少數(shù)載流子的注入

歐姆接觸哈爾濱工業(yè)大學(xué)微電子科學(xué)與技術(shù)系1、少數(shù)載流子的注入金屬-n型半導(dǎo)體形成肖特基結(jié)，其正向電流包括：半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子→金屬；