金属和半导体的接触.ppt

固体电子学基础 II,姜胜林,华中科技大学电子系教授，博士生导师 西七楼309室，Tel: 87542693 Email: jsl 2007年,40学时,本章内容提要,金半接触及其能级图 整流特性 少子注入和欧姆接触,相关研究： 博士论文：Ni电极 硕士论文：溅金属电极 毕业设计：无铅玻璃粉 新方向：耐特殊环境电极、SMD技术 商业：欧姆电极、表面电极（优乐公司等）,金属半导体接触,整流接触：微波技术和高速集成电路,欧姆接触：电极制作,成为界面物理重要内容,半导体器件重要部分,能级图,整流特征,欧姆接触,7.1 金属半导体接触及其能级图,1.金属与半导体的功函数,功函数：金属中的电子从金属中逸出，需由外界供给它足够的能量， 这个能量的最低值被称为功函数。,金属功函数 Wm=E0-(EF)m,金属中的电子势阱,半导体的功函数和电子亲和能,E0为真空电子能级,半导体功函数 Ws=E0-(EF)s,电子亲和能 =E0-Ec,Ws=+Ec-(EF)s =+En En=Ec-(EF)s,2.接触电势差（肖特基模型）,金属和n型半导体接触能带图（WmWs） （a）接触前；（b）间隙很大； （c）紧密接触；（d）忽略间隙,半导体电势提高,金属电势降低,平衡态，费米能级相等,金半间距D远大于原子间距时,D,正负电荷密度增加,D,与原子间距相比,空间电荷区形成（why），表面势，能带弯曲,（理想）,肖特基势垒高度,小结： （1）金属与n型半导体接触,WmWs，电子由半导体进入金属，在半导体表面形成电子势垒 （阻挡层） WsWm，电子由金属进入半导体，Vs0，能带下降，表面是电子势阱， 形成电导层（反阻挡层）,金属和n型半导体接触能带图（WmWs）,（2）金属与p型半导体接触,WmWs ，能带上升，空穴势阱，半导体表面是高电导压，为p型反阻挡层 WmWs ，能带下降，形成空穴势垒，为p型阻挡层,优缺点： 很好地解释离子性半导体与金属接触时所形成的势垒的物理本质； 不能解释不同金属（Wm不一样）与同一种半导体接触（一定）时m与Wm的差别； 肖特基模型不是形成势垒的唯一机理。,金属和p型半导体接触能带图,(WmWs),(WmWs),3.表面态对接触势垒的影响（巴丁模型）,问题的提出：,不同金属与同一半导体接触,金属功函数相差很大，而势垒高度相差很小,理论上,实际中,金属一边的势垒高度应随金属功函数而变化,金属与半导体接触是不同物质之间的紧密接触,界面,半导体固有表面态,势垒或势阱高度与 有关,半导体表面态密度足够高，平衡时半导体费米能级被锁定在,巴丁模型,半导体表面处的禁带中,表面态,表面能级,施主和受主型表面态,一般 而言,表面态在表面禁带中形成一定的分布，存在距离价带顶为q0的能级，电子正好填满q0 以下的所有表面态时表面呈电中性,q0以下空时：表面带正电，施主型,q0以上被电子填充时：什么状态！,思考： n型半导体存在表面态，半导体的费米能级EF高于q0 平衡时的能带图形如何？,若存在受主表面态：表面带负电（电子填满）,存在受主表面态时n型半导体的能带图,半导体表面附近：正的空间电荷区，电子势垒,表面态上的负电荷势垒区正电荷,表面态密度很大,就会积累很多负电荷 能带上弯,势垒高度被高表面态密度钉扎（Pinned）,表面态密度很大,表面处EF很接近q0,存在受主表面态时n型半导体的能带图,不存在表面态时,几乎与施主浓度无关,存在高表面态密度时,通过表面态发生作用,金属费米能级,半导体的费米能级,空间电荷区正电荷为表面受主态留 下的负电荷与金属表面负电荷之和,表面受主态密度很高的n型半导体与金属接触能带图（WmWs） （a）接触前；（b）紧密接触；（c）极限情形,金属和n型半导体接触能带图（WmWs） （a）接触前；（b）间隙很大； （c）紧密接触；（d）忽略间隙,区别,说明：半导体的表面态密度很高时，可以屏蔽金属接触的影响，使得半导体内的势垒高度和金属的功函数几乎无关，而基本上由半导体的表面性质决定，接触电势差全部降落在两个表面之间。,为什么说当金属的功函数小于半导体的功函数时（WmWs），也可以形成n型阻挡层？,问题：,表面态对功函数和接触势垒的影响,7.2 金属半导体接触整流特性（n型阻挡层）,外加电压对n型阻挡层的影响 (a)V=0；(b)V0；(c) V0,(WmWs)，(Vs)00（表面势）,(a) 平衡时，净电流为零 (b) 半导体势垒由qVD=q(Vs)0降低为q(Vs)0+V，形成正向电流 (c) 金属势垒高（恒定），电流很小，随V的增加达到饱和，形成反向电流,金属和n型半导体接触能带图,金属和n型半导体接触反阻挡层,p型阻挡层： 金属接负，半导体接正时形成从半导体到金属的空穴流（正向电流） 金属接正、半导体接负时形成反向电流,与p-n结区别，正向永远是p正、n负，电流从p流向n区 金属与半导体接触，正向的判定要看是哪种阻挡层 且正向电流都是相应于多子由半导体到金属的运动所形成的电流,(a)p型阻挡层（WmWs） 金属和p型半导体接触能带图,理论推导，金属半导体整流接触的伏安特性与p-n结相似,空间电荷层厚度,碰撞几率,势垒宽度比载流子自由程小得多，无碰撞、越过势垒,势垒高度起决定作用 Bethe热电子发射理论（阻挡层很薄）,势垒宽度比载流子自由程大得多，多次碰撞，势垒形状重要,与温度有关,与V有关,与p-n结有别,Schottky扩散理论（阻挡层厚）,p-n结电流电压方程（利用连续性方程）,肖克莱方程式,p区电子扩散长度,p区电子扩散系数,正向： 反向：,(k0T/q)0.026V,理想p-n结的J-V 曲线,(1) p-n结具有单向导带性 (2) 温度对电流密度的影响很大,反向饱和,Dn、Ln、np0,较高迁移率，较大的平均自由程（Ge、Si、GaAs），电流输运机构以多子热发射为主,迁移率较小，平均自由程较短（Cu2O），电流输运机构以扩散为主,理想p-n结的J-V 曲线,金属半导体接触伏安特性,特点： 肖特基势垒二极管（SBD）是多子器件，不发生电荷存储现象，可 应用于高频。 相同势垒高度下，SBD的JsD（或JsT）比p-n结的Js大得多，具有较低的正向导通电压（0.3V左右），作为高速TTL电路的箝位晶体管。,7.3 少数载流子的注入和欧姆接触,1.少数载流子的注入（n型阻挡层）,平衡界面处的载流子浓度：,正向电压（金属为正），势垒降低,电子、空穴扩散占优，如何运动的,共同形成正向电流,正向电压，空穴积累,部分正向电流是由少数载流子空穴提供的（如何说明？）,平衡时浓度差被势垒中的电场抵消,少数载流子的积累,与体内浓度差,电子由内部向接触面扩散,平衡时被势垒电场抵消（为什么？）,加正向电压,势垒降低,扩散占优，电子向表面流动，形成正向电流,与体内浓度差,空穴由表面向内部扩散,平衡时被势垒电场抵消（为什么？）,加正向电压,势垒降低,扩散占优，自外向内的空穴流，形成正向电流,空穴电流,p(0)可以等于n0，空穴势垒 顶在阻挡层的内边界,积累的空穴对空穴流的阻碍,施加正向电压,空穴从金属流向半导体内 不立即复合,少数载流子注入 （接触球面半径有关，用探针接触可以得到高效率的注入）,阻挡层内界积累 扩散进入内部,扩散效率（半导体内）：,空穴浓度（阻挡层）：,采用重掺杂,利用隧道效应,欧姆接触,实