半导体物理2013(第七章)

1、第第7 7章章 金属和半导体的接触金属和半导体的接触 本章重点阐述金属和半导体接触时在接触面本章重点阐述金属和半导体接触时在接触面 附近产生的附近产生的新的结构新的结构，这种，这种新的结构具有整流效新的结构具有整流效 应应，并介绍了，并介绍了少数载流子注入、欧姆接触等相关少数载流子注入、欧姆接触等相关 概念概念。 7.1 金属半导体接触及其能级图 7.1.1 金属和半导体的功函数 l金属功函数金属功函数 l金属功函数随原子序数的递增呈现金属功函数随原子序数的递增呈现 周期性变化，功函数的大小显示出周期性变化，功函数的大小显示出 金属中电子离开金属表面成为自由金属中电子离开金属表面成为自由 电子

2、的难以程度，功函数大的金属电子的难以程度，功函数大的金属 稳定性也较强。稳定性也较强。 mFm EEW)( 0 l半导体功函数半导体功函数 l电子亲和能电子亲和能 故故 其中其中 0sF s WEE c EE 0 nsFcs EEEW)( () ncFs EEE 7.1 金属半导体接触及其能级图 7.1.1 金属和半导体的功函数 7.1 金属半导体接触及其能级图 7.1.2 接触电势差 金属与金属与n n型半导体接触为例（型半导体接触为例（WmWsWmWs） l接触前接触前 7.1 金属半导体接触及其能级图 7.1.2 接触电势差 l金属和半导体间距离金属和半导体间距离D D远大于原子间距，电

3、远大于原子间距，电 势差主要落在界面间隙中。势差主要落在界面间隙中。 l Vms Vms是由于接触而产生的是由于接触而产生的 电电 势差，称为势差，称为接触电势差接触电势差。 q WW VVV ms smms + - - - - - =WM-WS 半导体表半导体表 面出现空面出现空 间电荷区间电荷区 7.1 金属半导体接触及其能级图 7.1.2 接触电势差 l随着随着D D的减小，电势差同时落在两界面间及半的减小，电势差同时落在两界面间及半 导体表面的空间电荷区内。导体表面的空间电荷区内。 sms ms VV q WW V VS S是半导体表面与内部之间是半导体表面与内部之间 存在的电势差，即

4、为存在的电势差，即为表面势表面势。 半导体表半导体表 面出现空面出现空 间电荷区间电荷区 电场电场 7.1 金属半导体接触及其能级图 7.1.2 接触电势差 l若若D D小到可以与原子间距相比较，电势差全部落小到可以与原子间距相比较，电势差全部落 在半导体表面的空间电荷区内。在半导体表面的空间电荷区内。 Ds ms VV q WW 电场电场 =-qV=-qVS S V VS0SWsn型阻挡层） 7.1 金属半导体接触及其能级图 7.1.2 接触电势差 E 空间电荷区空间电荷区 电场及表面势电场及表面势 能带情况能带情况 接触类型接触类型 电场电场 V VS0S0 7.1 金属半导体接触及其能级

5、图 7.1.2 接触电势差 l金属和n型半导体接触（Wm0S0 7.1 金属半导体接触及其能级图 7.1.2 接触电势差 l金属和p型半导体接触（WsWmp型阻挡层） 电场电场 V VS0S0 7.1 金属半导体接触及其能级图 7.1.2 接触电势差 l金属和p型半导体接触（WmWsp型反阻挡层） 电场电场 V VS0S0V0 若金属接电源正极，若金属接电源正极，n n型半导体接电源负极，则外型半导体接电源负极，则外 加电压主要降落在阻挡层上，外电压方向由金属指向半加电压主要降落在阻挡层上，外电压方向由金属指向半 导体，外加电压方向和接触表面势方向导体，外加电压方向和接触表面势方向( (半导体

6、表面空半导体表面空 间电荷区内电场间电荷区内电场) )相反，使势垒高度下降，电子顺利的相反，使势垒高度下降，电子顺利的 流过降低了的势垒。流过降低了的势垒。从半导体流向金属的电子数超过从从半导体流向金属的电子数超过从 金属流向半导体的电子数，形成从金属流向半导体的正金属流向半导体的电子数，形成从金属流向半导体的正 向电流。向电流。 7.2 金属半导体接触整流理论 7.2.1 金属半导体接触整流特性 内电场方向内电场方向 外电场方向外电场方向 7.2 金属半导体接触整流理论 7.2.1 金属半导体接触整流特性 l（3 3）V0V0V0时，若时，若qVkqVk0 0T T，则，则 l当当V0Vk|

7、qV|k0 0T T，则，则 l该理论是用于迁移率较小，平均自由程较短的半导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。体，如氧化亚铜。 )exp( 0T k qV JJ sD sD JJ 7.2 金属半导体接触整流理论 7.2.2 金属半导体整流接触电流电压方程 l热电子发射理论热电子发射理论 l当当n n型阻挡层很薄，电子平均自由程远大于势垒宽度。起型阻挡层很薄，电子平均自由程远大于势垒宽度。起 作用的是势垒高度而不是势垒宽度，电流的计算归结为作用的是势垒高度而不是势垒宽度，电流的计算归结为 超越势垒的载流子数目。超越势垒的载流子数目。 l假定，由于越过势垒的电子数只占半

8、导体总电子数很少假定，由于越过势垒的电子数只占半导体总电子数很少 一部分，故半导体内的电子浓度可以视为常数。一部分，故半导体内的电子浓度可以视为常数。 l讨论非简并半导体的情况。讨论非简并半导体的情况。 7.2 金属半导体接触整流理论 7.2.2 金属半导体整流接触电流电压方程 l针对针对n n型半导体，电流密度型半导体，电流密度 *2 0 exp() ns sT q JA T k T 0 exp() 1 sT qV JJ k T 其中理查逊常数其中理查逊常数 3 2 0 * * 4 h kqm A n GeGe、SiSi、GaAsGaAs有较高的载流子迁移率，有较大的平均自由有较高的载流子迁

9、移率，有较大的平均自由 程，因此在室温下主要是多数载流子的热电子发射。程，因此在室温下主要是多数载流子的热电子发射。 l两种理论结果表示的阻挡层电流与外加电压变化关系两种理论结果表示的阻挡层电流与外加电压变化关系 基本一致，体现了电导非对称性基本一致，体现了电导非对称性正向电压，电流正向电压，电流 随电压指数增加；反向电压，电流基本不随外加电压随电压指数增加；反向电压，电流基本不随外加电压 而变化而变化 lJ JSD SD与外加电压有关； 与外加电压有关；J JST ST与外加电压无关，强烈依赖温 与外加电压无关，强烈依赖温 度度T T。当温度一定，。当温度一定，J JST ST随反向电压增加

10、处于饱和状态， 随反向电压增加处于饱和状态， 称之为反向饱和电流。称之为反向饱和电流。 7.2 金属半导体接触整流理论 7.2.2 金属半导体整流接触电流电压方程 7.2 金属半导体接触整流理论 7.2.3 肖特基势垒二极管 肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管利用金属利用金属- -半导体整流接触特性制成半导体整流接触特性制成 的二极管。的二极管。 l与与pnpn结的相同点结的相同点： l单向导电性单向导电性 。 l与与pnpn结的不同点结的不同点： lpnpn结正向电流为非平衡少子扩散形成的电流结正向电流为非平衡少子扩散形成的电流, ,有显著的有显著的 电荷存储效应；肖特基势垒二极管的正向电流主

11、要是半电荷存储效应；肖特基势垒二极管的正向电流主要是半 导体多数载流子进入金属形成的，是多子器件，无积累，导体多数载流子进入金属形成的，是多子器件，无积累， 因此高频特性更好；因此高频特性更好； l肖特基二极管肖特基二极管JsDJsD和和JsTJsT比比pnpn结反向饱和电流结反向饱和电流JsJs大得多，大得多， 因此对于同样的使用电流，肖特基二极管有较低的正向因此对于同样的使用电流，肖特基二极管有较低的正向 导通电压。导通电压。 7.3 少数载流子的注入和欧姆接触 7.3.1 少数载流子的注入 ln n型阻挡层，体内电子浓度为型阻挡层，体内电子浓度为n n0 0，接，接 触面处的电子浓度是触

12、面处的电子浓度是 l电子的阻挡层就是空穴积累层。在电子的阻挡层就是空穴积累层。在 势垒区，空穴的浓度在表面处最大。势垒区，空穴的浓度在表面处最大。 体内空穴浓度为体内空穴浓度为p p0 0，则表面浓度为，则表面浓度为 )exp()0( 0 0 Tk qV nn D )exp()0( 0 0 Tk qV pp D l平衡时，空穴的扩散运动和由于内电场产生的漂移运动相平衡时，空穴的扩散运动和由于内电场产生的漂移运动相 等，净电流为零。等，净电流为零。 l加正压时，势垒降低，除了前面所提到的电子形成的电子加正压时，势垒降低，除了前面所提到的电子形成的电子 流以外，空穴的扩散运动占优，形成自金属向半导

13、体内部流以外，空穴的扩散运动占优，形成自金属向半导体内部 的空穴流，形成的电流与电子电流方向一致，因此总的正的空穴流，形成的电流与电子电流方向一致，因此总的正 向电流包含电子流和少数载流子空穴流。向电流包含电子流和少数载流子空穴流。 l空穴电流大小，取决于阻挡层的空穴电流大小，取决于阻挡层的空穴浓度空穴浓度和和空穴进入半导空穴进入半导 体内扩散的效率体内扩散的效率。 7.3 少数载流子的注入和欧姆接触 7.3.1 少数载流子的注入 l平衡时，如果接触面处有平衡时，如果接触面处有 l此时若有外加电压，空穴电流此时若有外加电压，空穴电流 的贡献就很重要了。的贡献就很重要了。 )()0( FcvF

14、EEEE 7.3 少数载流子的注入和欧姆接触 7.3.1 少数载流子的注入 l加正电压时，势垒两边加正电压时，势垒两边 界处的电子浓度将保持界处的电子浓度将保持 平衡值，而空穴先在阻平衡值，而空穴先在阻 挡层内界形成积累，然挡层内界形成积累，然 后再依靠扩散运动继续后再依靠扩散运动继续 进入半导体内部。进入半导体内部。 7.3 少数载流子的注入和欧姆接触 7.3.1 少数载流子的注入 7.3 少数载流子的注入和欧姆接触 7.3.1 少数载流子的注入 l综上，综上，在金属和在金属和n n型半导体的整流接触上加正向电压时，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，这种现象称为就

15、有空穴从金属流向半导体，这种现象称为少数载流子少数载流子 的注入的注入。 l加正向电压时，少数载流子电流与总电流值比称为少数加正向电压时，少数载流子电流与总电流值比称为少数 载流子的注入比，用载流子的注入比，用表示。对表示。对n n型阻挡层而言型阻挡层而言 2 *2 0 /() exp iPP pPPn nP nS D qnJD JJJJJ JLq N A T k T 7.3 少数载流子的注入和欧姆接触 7.3.2 欧姆接触 l欧姆接触欧姆接触 l金属与半导体形成的非整流接触，这种接触不产生金属与半导体形成的非整流接触，这种接触不产生 明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载明显的附加阻抗

16、，而且不会使半导体内部的平衡载 流子浓度发生显著的变化。流子浓度发生显著的变化。 l实现实现 l反阻挡层没有整流作用，但由于常见半导体材料一反阻挡层没有整流作用，但由于常见半导体材料一 般都有很高的表面态密度，因此很难用选择金属材般都有很高的表面态密度，因此很难用选择金属材 料的办法来获得欧姆接触。料的办法来获得欧姆接触。 l重掺杂的半导体与金属接触时，则势垒宽度变得很薄，重掺杂的半导体与金属接触时，则势垒宽度变得很薄， 电子通过隧道效应贯穿势垒产生大隧道电流，甚至超过电子通过隧道效应贯穿势垒产生大隧道电流，甚至超过 热电子发射电流而成为电流的主要成分，即可形成接近热电子发射电流而成为电流的主

17、要成分，即可形成接近 理想的欧姆接触。理想的欧姆接触。 常常是在常常是在n型或型或p型半导体上制作一层重掺杂区域后再与型半导体上制作一层重掺杂区域后再与 金属接触，形成金属金属接触，形成金属-n n或金属或金属-p p型结构。型结构。 7.3 少数载流子的注入和欧姆接触 7.3.2 欧姆接触 + l接触电阻：零偏压下的微分电阻接触电阻：零偏压下的微分电阻 l把导带底把导带底E Ec c选作电势能的零点，可得选作电势能的零点，可得 l电子势垒电子势垒 l令令y=dy=d0 0-x-x，则，则 1 0 )( Vc V I R 2 0 0 )( 2 )(dx qN xV r D 7.3 少数载流子的

18、注入和欧姆接触 7.3.2 欧姆接触 2 0 0 2 )( 2 )(dx Nq xqV r D 2 2 0 ( ) 2 D r q N qV yy l根据量子力学中的结论，根据量子力学中的结论，x=dx=d0 0处导带底电子通过隧道效处导带底电子通过隧道效 应贯穿势垒的隧道概率为应贯穿势垒的隧道概率为 l有外加电压时，势垒宽度为有外加电压时，势垒宽度为d d，表面势为，表面势为(V(Vs s) )0 0+V+V，则，则 隧道概率隧道概率 )()(4exp)() 2 (4exp 0 2 1 2 0 * 2 1 0 2 1 2 * 0 s D Rn d n V Nh m dyyqV h m P )()(4exp)()(4exp 2 1 22 0 * 0 2 1 2 0 * VVq Nhq m VV Nh m P D D Rn s D Rn 7.3 少数载流子的注入和欧姆接触 7.3.2 欧姆接触 l隧道电流与隧道概率成正比隧道电流与隧道概率成正比 l进而可得到进而可得到 )()(4exp 2 1 22 0 * VVq Nh