金属和半导体的接触.pdf

1半导体中的电子状态半导体中的电子状态3载流子输运与导电载流子输运与导电4非平衡载流子非平衡载流子5p－－n结结6半导体表面与半导体表面与MIS结构结构7金属和半导体的接触金属和半导体的接触9半导体的光、热、磁效应半导体的光、热、磁效应8半导体半导体异质结异质结2半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布半导体表面与半导体表面与MIS结构结构本章内容提要本章内容提要金半接触及其能带图金半接触及其能带图整流整流特性特性( (肖特基模型和巴丁模型肖特基模型和巴丁模型) )少子注入和欧姆接触少子注入和欧姆接触6金属和半导体的接触金属和半导体的接触1874年：年：F. Braun发现金属和硫化物半导体接触时具有发现金属和硫化物半导体接触时具有整流作用整流作用 (CuFeS2、、PbS等）等）IsemiconductorImetal上世纪初期上世纪初期Cu2O、、Se整流器整流器上世纪上世纪30年代末：点接触硅整流器年代末：点接触硅整流器1938年：年：W. Schottky在能带论的在能带论的基础上提出金基础上提出金-半半接触界面接触界面势垒模型势垒模型(肖特基势垒肖特基势垒)，，奠定了奠定了金金-半接触的理论基础半接触的理论基础！！1940s～：随着～：随着p-n结二极管的出现结二极管的出现，，金金-半接触在器件方面的应用地位降低半接触在器件方面的应用地位降低1960s：平面工艺制作出：平面工艺制作出金金- -半二极管半二极管( (肖特基二极管肖特基二极管) )随后随后，，应用应用领域的快速发展推动了金领域的快速发展推动了金-半接触理论的进一步发展半接触理论的进一步发展4金属金属—半导体接触半导体接触整流接触整流接触：：微波技术和高速集成电路微波技术和高速集成电路欧姆接触欧姆接触：电极制作：电极制作半导体物理的重要内容半导体物理的重要内容半导体器件和电路的重要组成部分半导体器件和电路的重要组成部分能带图能带图整流特征整流特征欧姆接触欧姆接触56.1 6.1 金属半导体接触及其能带图金属半导体接触及其能带图1.1.金属与半导体的功函数金属与半导体的功函数• 使电子从使电子从其逸出到真空中所需要其逸出到真空中所需要的能量的最小值的能量的最小值• 标志着束缚电子能力的强弱标志着束缚电子能力的强弱！！！！！！• 功函数越大功函数越大，，电子越不容易离开电子越不容易离开功函数：费米能级与真空能级的差值功函数：费米能级与真空能级的差值金属的功函数金属的功函数金属功函数金属功函数Wm=E0-(EF)m半导体功函数半导体功函数 Ws=E0-(EF)s6E0为真空中静止电子的能量为真空中静止电子的能量金属的功函数金属的功函数（约几个电子伏特，且随原子序数成周期性变化）（约几个电子伏特，且随原子序数成周期性变化）8金属功函数金属功函数Wm=E0-(EF)mE0为真空电子能级为真空电子能级半导体功函数半导体功函数Ws=E0-(EF)s电子亲合能电子亲合能 χ=E0-EcWs= χ + [Ec-(EF)s]= χ + En其中其中En = Ec- (EF)s二者的区别？二者的区别？半导体的费米能级随掺杂和温度而改变半导体的费米能级随掺杂和温度而改变所以半导体的功函数不是常数所以半导体的功函数不是常数平衡态时具有统一的费米能级接触电势差肖特基模型巴丁模型接触后，接触后，电子由功电子由功函数小的函数小的地方地方 往功往功函数大的函数大的地方流！地方流！金属和半导体的功函数不同金属和半导体的功函数不同msϕ92.2.接触电势差（接触电势差（肖特基模型肖特基模型））金属与金属与n型半导体型半导体Wm > Ws接触前接触前接触后接触后电子由半导体流向金属电子由半导体流向金属金属的表面带负电金属的表面带负电半导体表面带正电（留下正的空间电荷）半导体表面带正电（留下正的空间电荷）内建电场（内建电场（半导体指向金属半导体指向金属））交界面的能带发生弯曲交界面的能带发生弯曲直至费米能级统一直至费米能级统一金属导带的电子浓度很大金属导带的电子浓度很大，，其费米能级无显著变化其费米能级无显著变化。

故金属表面处能带也就无明显弯曲故金属表面处能带也就无明显弯曲！！主要是半导体的费米能级在降低主要是半导体的费米能级在降低导致其半导体表面处能带上弯导致其半导体表面处能带上弯！！表面表面势垒势垒，，表面势表面势Vs Ws表面表面势垒区阻值很高，“阻挡层”势垒区阻值很高，“阻挡层”Ws= χ + [Ec-(EF)s]= χ + En其中其中En = Ec- (EF)s12金属与金属与n型半导体型半导体Wm 导致其半导体表面处能带下弯导致其半导体表面处能带下弯！！表面势阱表面势阱表面电子浓度较高，积累层表面电子浓度较高，积累层/电导层，反电导层，反阻挡层阻挡层，，表面势表面势Vs>013归纳与小结：归纳与小结：（（1）金属与）金属与n型半导体接触型半导体接触 Wm> Ws电子由半导体进入金属，半导体表面处能带上弯，电子由半导体进入金属，半导体表面处能带上弯，Vs0，，表面是电子势阱，电子积累，形成电导层，表面是电子势阱，电子积累，形成电导层，n型反阻挡层型反阻挡层（（2）金属与）金属与p型半导体接触型半导体接触 Wm> Ws电子由半导体进入金属，半导体表面处电子由半导体进入金属，半导体表面处能带上弯，能带上弯，Vs0，，形成空穴势垒形成空穴势垒，空穴耗尽层，空穴耗尽层，，p p型阻挡层型阻挡层14金属和金属和p型半导体接触能带图型半导体接触能带图Wm Ws金属和金属和n型半导体接触能带图型半导体接触能带图电子由半导体流向金属电子由半导体流向金属 半导体表面能带上弯半导体表面能带上弯电子由金属流向半导体电子由金属流向半导体 半导体表面能带下弯半导体表面能带下弯电子势垒，耗尽层电子势垒，耗尽层 高电阻，阻挡层高电阻，阻挡层电子势阱，积累层电子势阱，积累层 高电导，反阻挡层高电导，反阻挡层空穴势阱，积累层空穴势阱，积累层 高电导，反阻挡层高电导，反阻挡层空穴势垒，耗尽层空穴势垒，耗尽层 高电阻，阻挡层高电阻，阻挡层思考：能定性 分析阻挡层的 整流作用吗？肖特基模型肖特基模型很好地揭示了半导体与金属接触时所形成的势垒的物理本质：很好地揭示了半导体与金属接触时所形成的势垒的物理本质： 二者功函数的大小决定了二者功函数的大小决定了电子电子的流动方向的流动方向，，从而决定了内建电场的方向从而决定了内建电场的方向，，即决定了内建电场引起界面能带弯曲即决定了内建电场引起界面能带弯曲（（主要是在半导体表面主要是在半导体表面））的方向的方向！！ 半导体表面的能带弯曲对其半导体表面的能带弯曲对其载流子载流子分布产生影响分布产生影响，，起起阻挡阻挡（（势垒势垒，，载流子载流子耗尽耗尽，，高电阻层高电阻层））或或反阻挡反阻挡（（势阱势阱，，载流子积累载流子积累，，高电导层高电导层））作用作用，，取决取决于半导体多数载流子于半导体多数载流子的类型的类型！！根据肖特基模型根据肖特基模型，，不同金属与同一种半导体相接触时不同金属与同一种半导体相接触时，，是否形成势垒以及是否形成势垒以及势垒高度应与金属功函数的大小有关势垒高度应与金属功函数的大小有关（（如如n型阻挡层型阻挡层）），，然而然而，，大量测量结果证实大量测量结果证实，，几乎几乎90％％的金属同半导体接触时的金属同半导体接触时，，都形成势垒都形成势垒，，而且其而且其高度几乎与其高度几乎与其金属功函数的大小无关金属功函数的大小无关 !肖特基模型不是金半接触势垒的唯一机理！！！（肖特基模型不是金半接触势垒的唯一机理！！！（想一想想一想））χφ−=mnsWq16半导体表面态半导体表面态 （晶格缺陷、吸附杂质等）（晶格缺陷、吸附杂质等）3.3.表面态对接触势垒的影响（表面态对接触势垒的影响（BardeenBardeen巴丁模型）巴丁模型）与金属交换电子与金属交换电子产生的表面势引起半导体表面能带弯曲，产生的表面势引起半导体表面能带弯曲， 势垒高度取决于表面性质，而与金属无关！势垒高度取决于表面性质，而与金属无关！17半导体表面处的禁带中半导体表面处的禁带中表面态表面态表面能级表面能级若电子正好填满某一能级以下的所有表面态时，表面呈电中性，若电子正好填满某一能级以下的所有表面态时，表面呈电中性， 该能级称为该能级称为表面中性表面中性(费米费米)能级，能级，qΦ0 （距离价带顶）（距离价带顶），， 一般而言，一般而言，qΦ0约为禁带宽度的约为禁带宽度的1/3中性能级以下：中性能级以下：电子填充水平不电子填充水平不到到qΦ0，表面带，表面带正电，类正电，类施主施主表面态表面态中性能级以上：中性能级以上：电子填充水平超过电子填充水平超过了了qΦ0，，表面带表面带负电，类负电，类受主受主表面态表面态电子可以填充表面能级电子可以填充表面能级18当电子由半导体流向金属当电子由半导体流向金属时时(Ws Ws，，Vs 0反偏反偏 V 0外加电场与内建电场方向相反外加电场与内建电场方向相反空间电荷减少，空间电荷减少，势垒高度下降势垒高度下降（金属表面势垒高度基本不变）（金属表面势垒高度基本不变）q(V -V)EFnsφq+金属金属半导体半导体-n型阻挡层（型阻挡层（Wm > Ws，，Vs Ws，，Vs 0，正向电压、反向电压极性与，正向电压、反向电压极性与n型阻挡层时相反型阻挡层时相反即：即：p型阻挡层型阻挡层金属接负，半导体接正金属接负，半导体接正从半导体到金属的空穴流占优从半导体到金属的空穴流占优形成形成从半导体到金属的正向电流从半导体到金属的正向电流金属接正，半导体接负金属接正，半导体接负金属到半导体的反向电流金属到半导体的反向电流p-n结：正向永远是结：正向永远是p正、正、n负，负，正向电流方向从正向电流方向从p区流向区流向n区区 金半接触阻挡层：金半接触阻挡层：正向电流均是正向电流均是半导体的多子向金属流动半导体的多子向金属流动所形成的电流所形成的电流 因此其正向电流因此其正向电流的方向要的方向要看阻挡层的类型（即半导体的类型）看阻挡层的类型（即半导体的类型）p型阻挡层（型阻挡层（Wm 0））+-+-正向偏压正向偏压反向偏压反向偏压p型半导体型半导体①①SBD是多子器件是多子器件，，相对于少子器件而言相对于少子器件而言，，无论正偏或反偏无论正偏或反偏时其载流子都不发生明显积累时其载流子都不发生明显积累（（扩散电容很小扩散电容很小）），，因此具因此具有良好的开关特性有良好的开关特性，，更适于用于高频领域更适于用于高频领域。

②②相同势垒高度下相同势垒高度下，，SBD的反向饱和电流的反向饱和电流密度密度-JsD（（或或-JsT））比比p-n结结的的-Js大得多大得多，，那么正向电流的特性也有所不同那么正向电流的特性也有所不同，，SBD具有较低的正向导通电压具有较低的正向导通电压（（0.3V左右左右））肖特级势垒二极管与肖特级势垒二极管与p-n结二极管的比较结二极管的比较利用金属利用金属-半导体整流接触特性制成的二极管，称为肖特级势垒二极管半导体整流接触特性制成的二极管，称为肖特级势垒二极管（（Schottky Barrier Diode, SBD））266.3 6.3 少数载流子的注入和欧姆接触少数载流子的注入和欧姆接触1.1.少数载流子的注入（少数载流子的注入（n n型阻挡层）型阻挡层）   −=TkqVnn0D 0exp)0(界面处的载流子浓度分别为：界面处的载流子浓度分别为：Schottky扩散理论中，扩散理论中，该浓度差导致电子由体内向表面扩散该浓度差导致电子由体内向表面扩散   =TkqVpp0D 0exp)0(该浓度差导致空穴由表面向体内扩散该浓度差导致空穴由表面向体内扩散平衡时，浓度差被势垒中的电场抵消，扩散＝漂移平衡时，浓度差被势垒中的电场抵消，扩散＝漂移正偏时，势垒降低，电场作用减弱，扩散作用占优，形成正向电流正偏时，势垒降低，电场作用减弱，扩散作用占优，。