金属和半导体的接触

金属和半导体的接触§7.1金属-半导体接触及其能带图一、概述：1、在微电子和光电子器件中，半导体材料和金属、半导体以及绝缘体的各种接触是普遍存在的，如MOS器件、肖特基二极管、气体传感器等。薄膜技术及纳米技术的发展，使得界面接触显得更加重要。第2页,共63页，2024年2月25日，星期天二、金属和半导体的功函数Wm、Ws1、金属的功函数Wm表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。E0(EF)mWm

功函数大小标致电子在金属中被束缚的强弱第3页,共63页，2024年2月25日，星期天2、半导体的功函数WsE0与费米能级之差称为半导体的功函数。用Χ表示从Ec到E0的能量间隔：称χ为电子的亲和能，它表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需要的最小能量。Ec(EF)sEvE0χWsEn第4页,共63页，2024年2月25日，星期天①N型半导体：式中：②P型半导体：式中：Note:

和金属不同的是，半导体的费米能级随杂质浓度变化，所以，Ws也和杂质浓度有关。故常用亲和能表征半导体第5页,共63页，2024年2月25日，星期天半导体金属半导体金属能带结构发生变化新的物理效应和应用3、金属/半导体接触(理想接触）第6页,共63页，2024年2月25日，星期天三、金属与半导体的接触及接触电势差1.阻挡层接触金属n半导体设想有一块金属和一块n型半导体，并假定金属的功函数大于半导体的功函数，即：即半导体的费米能EFs高于金属的费米能EFm金属的传导电子的浓度很高，1022～1023cm-3半导体载流子的浓度比较低，1010～1019cm-3第7页,共63页，2024年2月25日，星期天金属半导体接触前后能带图的变化：接触后，金属和半导体的费米能级应该在同一水平，半导体的导带电子必然要流向金属，而达到统一的费米能接触前，半导体的费米能级高于金属（相对于真空能级），所以半导体导带的电子有向金属流动的可能WmEFmWsE0EcEFsEv接触前接触后qVDEFEFEvEcxdE0第8页,共63页，2024年2月25日，星期天在接触开始时，金属和半导体的间距大于原子的间距，在两类材料的表面形成电势差Vms。接触电势差：紧密接触后，电荷的流动使得在半导体表面相当厚的一层形成正的空间电荷区。空间电荷区形成电场，其电场在界面处造成能带弯曲，使得半导体表面和内部存在电势差，即表面势Vs。接触电势差分降在空间电荷区和金属与半导体表面之间。但当忽略接触间隙时，电势主要降在空间电荷区。第9页,共63页，2024年2月25日，星期天现在考虑忽略间隙中的电势差时的极限情形:半导体一边的势垒高度为：金属一边的势垒高度为：半导体体内电场为零，在空间电荷区电场方向由内向外，半导体表面势Vs＜0EFEvqVDEcE电场第10页,共63页，2024年2月25日，星期天在势垒区，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度比体内小得多，是一个高阻区域，称为阻挡层。界面处的势垒通常称为肖特基势垒。EFEvqVDEcE电场所以：金属与N型半导体接触时，若Wm>Ws，即半导体的费米能级高于金属，电子向金属流动，稳定时系统费米能级统一，在半导体表面层形成正的空间电荷区，能带向上弯曲，形成电子的表面势垒。第11页,共63页，2024年2月25日，星期天2.反阻挡层接触设想有一块金属和一块n型半导体，并假定金属的功函数小于半导体的功函数，即：即半导体的费米能EFs低于金属的费米能EFm金属和半导体接触时，电子将从金属流向半导体，在半导体表面形成负的空间电荷区，电场方向由表面指向体内，Vs>0,能带向下弯曲。在表面的空间电荷区，电子浓度高于体内，高电导区，称为反阻挡层。第12页,共63页，2024年2月25日，星期天金属与P型半导体接触时，若Wm<Ws，即金属的费米能级比半导体的费米能级高，半导体的多子空穴流向金属，使得金属表面带正电，半导体表面带负电，半导体表面能带向下弯曲，形成空穴的表面势垒。金属－p型半导体接触的阻挡层在半导体的势垒区，空间电荷主要由负的电离受主形成，其多子空穴浓度比体内小得多，也是一个高阻区域，形成空穴阻挡层。第13页,共63页，2024年2月25日，星期天金属和p型半导体Wm<Ws

空穴阻挡层EFmEFsWsWmEvEcE0电场EEcEFEvxdqVd接触后半导体一边的势垒高度是：qVD=Ws-Wm第14页,共63页，2024年2月25日，星期天金属－p型半导体接触的反阻挡层金属与P型半导体接触时，若Wm>Ws，即金属的费米能级比半导体的费米能级低，半导体的电子流向金属，使得金属表面带负电，半导体表面带正电，半导体表面能带向上弯曲。在半导体表面的多子（空穴）浓度较大，高电导区，形成反阻挡层。第15页,共63页，2024年2月25日，星期天3、金属－半导体接触的阻挡层所谓阻挡层，在半导体的势垒区，形成的空间电荷区，它主要由正的电离施主杂质或负的电离受主形成，其多子电子或空穴浓度比体内小得多，是一个高阻区域，在这个区域能带向上或向下弯曲形成电子或空穴的阻挡。金属与N型半导体，Wm>Ws金属与P型半导体,Wm<Ws阻挡层第16页,共63页，2024年2月25日，星期天表面态就是局域在表面附近的新电子态。它的存在导致表面能级的产生。表面能级：与表面态相应的能级称为表面能级。由于晶体的不完整性使得势场的周期性受到破坏，在禁带中产生附加能级。理想晶体自由表面－达姆表面能级(1932年)晶体表面缺陷或吸附原子－附加表面能级四、表面态对接触势垒的影响半导体表面态金半接触势垒第17页,共63页，2024年2月25日，星期天实验表明，金半接触时的势垒高度受金属功函数的影响很小。这是由于半导体表面存在表面态造成的。施主型：能级被电子占据时呈电中性，放电后呈正电，（给予电子的能力）受主型：能级空着时为电中性，而接受电子后带负电。（得到电子的能力）表面态一般分施主型和受主型：第18页,共63页，2024年2月25日，星期天①电子刚好填满EFS0

以下的所有表面态时，则表面呈电中性,表面态局域电子的特性。当EFS0

以下的表面态空着时，即没有被电子占据时，表面呈正电，为施主型；②

EFS0上面表面态被电子占据时，半导体表面为负电，是受主型。WmEFmE0WsEcEF0WlEFS0Ev表面能级为禁带宽度的三分之一表面能级示意图第19页,共63页，2024年2月25日，星期天设一个n型半导体的表面存在表面态。半导体的费米能级EF

高于表面能级Efs，如果Efs以上存在受主表面态，则会导致如下效应：（接触前后）由于表面势的存在，半导体表面和体内进行电子交换。如果表面态能级在EF和Efs之间就会被电子填满，表面带负电，所以半导体表面附近会出现正电荷，形成正的空间电荷区，形成电子的势垒，即不和金属接触也形成电子势垒。1、金属半导体接触前：第20页,共63页，2024年2月25日，星期天不存在表面态时，Ws=χ+En，存在表面态时，功函数要有相应的改变，加上qVD=EF0-EFs0的效应。能带弯曲量

qVD=EF0-EFs0

半导体的功函数则变为：WlqVDEFsWmEvEFEcE0Ec(0)第21页,共63页，2024年2月25日，星期天2、金属与半导体接触后（1）接触后，表面态提供电子流向金属，半导体表面态密度很高时，只转移表面态电子就可以让系统达到平衡qVDEc(0)EFEvEFs0E0Ec接触前后，半导体空间电荷分布不发生变化，表面势不变第22页,共63页，2024年2月25日，星期天（2）表面态密度较大，表面、体内电子均转移表面态中的电子和半导体体内的电子都要向金属转移，才能使系统平衡。金属功函数对势垒有影响，但影响不大——实际情况第23页,共63页，2024年2月25日，星期天金属的功函数决定接触类型及势垒高度由于存在表面态，接触时总是形成势垒，且势垒高度受金属功函数影响不大Wm>Ws电子的阻挡层——整流接触Ws>Wm电子的反阻挡层——欧姆接触理想接触实际接触第24页,共63页，2024年2月25日，星期天§7.2金-半接触整流理论1、阻挡层的整流特性

—外加电压对阻挡层（高阻层）的作用第25页,共63页，2024年2月25日，星期天①加上正向电压(金属一边为正)时：由于阻挡层是个高电阻区域，外加电压主要降落在阻挡层上。金属一侧的势垒高度没有变化外加电压削弱了内建电场的作用，半导体势垒降低；电流为：第26页,共63页，2024年2月25日，星期天进一步增加正向电压：qVD1=q[VD-V]qVxdEF势垒高度进一步减低，势垒宽度减薄，多子导电变强。正向导电，电流很强。第27页,共63页，2024年2月25日，星期天②加上反向电压（金属一边为负）时：外加电压增强了内建电场的作用，势垒区电势增强，势垒增高；由于阻挡层是个高电阻区域，外加电压主要降落在阻挡层上。金属一侧的势垒高度没有变化第28页,共63页，2024年2月25日，星期天2、整流理论－定量V-I特性的表达式（1）扩散理论DiffusionTheory势垒宽度比载流子的平均自由程大得多，即——势垒区是耗尽区；——半导体是非简并的第29页,共63页，2024年2月25日，星期天(2)简化模型：势垒高度qVD》k0T时，势垒区内的载流子浓度～0

耗尽区EF0dXV0metalsemiconductorSpacechargeregionN型半导体的耗尽层在势垒区边界，电子的浓度分别为：电子从体内向界面处扩散；在内建电场的作用下，电子做漂移运动；第30页,共63页，2024年2月25日，星期天扩散方向与漂移方向相反无外加电压：扩散与漂移相互抵消—平衡；反向电压：漂移增强——反偏；正向电压：扩散增强——正偏第31页,共63页，2024年2月25日，星期天3、势垒宽度与外加电压的关系势垒区的宽度：1、无外加电压，即2、有外加电压，即V>0，d正↓正向电压使势垒区变窄V<0，d负↑反向电压使势垒区变宽第32页,共63页，2024年2月25日，星期天势垒的高度和宽度都随外加电压变化：第33页,共63页，2024年2月25日，星期天求通过势垒的电流密度为漂移电流和扩散电流之和：漂移电流扩散电流J将带入上式得第34页,共63页，2024年2月25日，星期天J解上方程并代入边界条件：其中，第35页,共63页，2024年2月25日，星期天

电流密度变化的讨论：其大小主要决定于指数因子，

J随外加电压V成指数变化该理论是用于迁移率较小，平均自由程较短的半导体，如氧化亚铜。第36页,共63页，2024年2月25日，星期天7.2.2热电子发射理论起决定作用的是势垒的高度，而不是形状。当电子动能>势垒顶部时，电子可以自由越过势垒进入另一边。电流的计算即求越过势垒的载流子数目。热电子发射理论当n型阻挡层很薄时，即电子的平均自由程大于势垒宽度。扩散理论不再适合了。电子通过势垒区的碰撞可以忽略。第37页,共63页，2024年2月25日，星期天1、热电子发射理论的适用范围ln>>d—适用于薄阻挡层—势垒高度>>k0T非简并半导体2、热电子发射理论的基本思想薄阻挡层，势垒高度起主要作用。能够越过势垒的电子才对电流有贡献——计算超越势垒的载流子数目，从而求出电流密度第38页,共63页，2024年2月25日，星期天3、势垒区的伏安特性半导体一侧，只有能量大于势垒的电子才能越过势垒：根据麦克斯韦分布可求得中的电子数：第39页,共63页，2024年2月25日，星期天规定电流的正方向是从金属到半导体电子流密度方向和电流方向相反①Js→m时（正向电流）EFVx电子的状态密度和分布函数第40页,共63页，2024年2月25日，星期天能够运动到Ｍ-Ｓ界面的电子数为：第41页,共63页，2024年2月25日，星期天②Jm→s时（反向电流）第42页,共63页，2024年2月25日，星期天Φns是金属一边的电子势垒③总的电流密度J第43页,共63页，2024年2月25日，星期天④讨论：扩散理论：两种理论都得出电流和外加电压近似成指数关系热电子发射理论：Ge、Si、GaAs都有较高的载流子迁移率，即较大的平均自由程，在室温时，其肖特基势垒中的电流输运机构，主要是多数载流子的热电子发射第44页,共63页，2024年2月25日，星期天扩散理论热热电子发射理论●厚阻挡层●电流源于半导体一侧电子的漂移或扩散●薄阻挡层●电流源于越过势垒的电子第45页,共63页，2024年2月25日，星期天§7.3少数载流子的注入和欧姆接触1、少数载流子的注入对n型阻挡层，对少子空穴就是积累层，在势垒区表面空穴浓度最大，由表面向内部扩散，平衡时被电场抵消。在正向电压时，产生和电子电流方向一致的。故部分正向电流由少子贡献。EV第46页,共63页，2024年2月25日，星期天首先决定于阻挡层中空穴的浓度，在势垒很高的情况下，接触表面的空穴浓度会很高。其次还要受扩散能力的影响。在加正向电压时，空穴流向半导体体内，不能立即复合，要在阻挡层形成一定的积累，然后靠扩散进入半导体体内。所以有：注入比r：即在加正向电压时，少子电流和总电流的比在大电流时，注入比随电流密度的增加而增大。少子空穴电流的大小：Page236第47页,共63页，2024年2月25日，星期天2、欧姆接触定义：金/半接触的非整流接触，即不产生明显的附加电阻，不会使半导体体内的平衡载流子浓度发生明显的改变。应用：半导体器件中利用电极进行电流的输入和输出就要求金属和半导体接触形成良好的欧姆接触。在超高频和大功率的器件中，欧姆接触时设计和制造的关键。实现：不考虑表面态的影响，金半接触形成反阻挡层，就可以实现欧姆接触。实际中，由于有很高的表面态，主要用隧道效应实现半导体制造的欧姆接触。第48页,共63页，2024年2月25日，星期天半导体重掺杂导致明显的隧穿电流，而实现欧姆接触：半导体掺杂浓度很高时，金半接触的势垒区的宽度变得很薄，电子会通过隧道效应穿过势垒产生相当大的隧穿电流，甚至会超过热电子发射电流成为电流的主要部分。当隧穿电流占主要成份时，接触电阻会很小，可以用作欧姆接触。常用的方法：在n型或p型半导体上制作一层重掺杂区再与金属接触，形成金属－n+n或金属—p+p结构。使得金属的选择很多。电子束和热蒸发、溅射、电镀。第49页,共63页，2024年2月25日，星期天1、功函数：功函数的定义是E0与EF能量之差，用W表示。即半导体的功函数可以写成本章小结半导体的费米能级随掺杂的变化而变化，因此，半导体的功函数也会变化第50页,共63页，2024年2月25日，星期天2、接触电势差：金属半导体接触，由于Wm和Ws不同，会产生接触电势差Vms。同时半导体能带发生弯曲，使其表面和内部存在电势差V，即表面势V，因而：紧密接触时：

第51页,共63页，2024年2月25日，星期天典型金属半导体接触有两类：一类是整流接触，形成阻挡层，即肖特基接触；一类是非整流接触，形成反阻挡层，即欧姆接触。N型P型Wm>Ws阻挡层反阻挡层Wm<Ws反阻挡层阻挡层形成n型和p型阻挡层的条件

第52页,共63页，2024年2月25日，星期天3、金属半导体接触整流特性：

在金属半导体接触中，金属一侧势垒高度不随外加电压而变，半导体一侧势垒高度与外加电压相关。因此，当外加电压使半导体一侧势垒高度降低时，形成从半导体流向金属的净离子流密度，且随外加电压而变化；反之，则是从金属到半导体的离子流密度，该电流较小。且与外加电压几乎无关。这就是金属半导体接触整流特性。第53页,共63页，2024年2月25日，星期天扩散理论、热电子发射理论计算肖特基接触的电流-电压特性，前者适用于势垒区宽度比电子的平均自由程大很多的半导体材料（即低迁移率材料）；后者适用于薄阻挡层，电子的平均自由程远大于势垒区宽度（高迁移率材料）。两种理论：（1）、扩散理论：当V>0时，若qV>>kT，其电流—电压特性为：第54页,共63页，2024年2月25日，星期天其中：当V<0时，若|qV|>>kT，则：Jsd随电压变化，并不饱和第55页,共63页，2024年2月25日，星期天（2）、热电子发射理论：

电流-电压特性为JST与外加电压无关，但强烈依赖于温度

Ge，Si，GaAs具有较高的载流子迁移率，即有较大的平均自由程，因而在室温下，这些半导体材料的肖特基势垒中的电流输运机构主要是热电子发射。第56页,共63页，2024年2月25日，星期天4、镜像力和隧道效应的影响:镜像力和隧道效应对反向特性有显著影响，它们引起势垒高度的降低，使反向电流增加。5、少数载流子的注入:

在金属和n型半导体的整流接触上加正向电压时，就有空穴从金属流向半导体，这种现象称为少数载流子的注入。少数载流子电流与总电流之比称为少数载流子注入比，用γ