第七章 金属和半导体的接触

1、电子工程系电子工程系EEEE半导体物理半导体物理第七章第七章 金属和半导体的接触金属和半导体的接触1电子工程系电子工程系EEEE金属半导体的接触及其能级图金属半导体的接触及其能级图2&金属半导金属半导体接触及体接触及其能级图其能级图&金属半导体金属半导体接触整流理接触整流理论论&少数载流子少数载流子的注入和欧的注入和欧姆接触姆接触&小结小结 一、功函数一、功函数金属的功函数金属的功函数WWm m金属的功函数表示一个起始能量等于费米能级金属的功函数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。需要的最小能量。E0(EF

2、)mWm0()mFmWEEE E0 0为真空中电子的为真空中电子的能量，又称为真空能量，又称为真空能级。能级。电子工程系电子工程系EEEE3半导体的功函数半导体的功函数WWs sE E0 0与费米能级之差称为半导体的功函数。与费米能级之差称为半导体的功函数。0()sFsWEE 表示从表示从E Ec c到到E E0 0的能量间隔：的能量间隔：0cEE称称 为为电子的亲和能电子的亲和能，它表示要使半导体导它表示要使半导体导带底的电子逸出体外带底的电子逸出体外所需要的最小能量。所需要的最小能量。Ec(EF)sEvE0WsEn&金属半导金属半导体接触及体接触及其能级图其能级图&金属半导体金属半导体接触

3、整流理接触整流理论论&少数载流子少数载流子的注入和欧的注入和欧姆接触姆接触&小结小结电子工程系电子工程系EEEE4scFnsWEEE式中：式中：()ncFsEEEN N型半导体型半导体P P型半导体：型半导体：()pFsvEEE()soFsgpWEEEE&金属半导金属半导体接触及体接触及其能级图其能级图&金属半导体金属半导体接触整流理接触整流理论论&少数载流子少数载流子的注入和欧的注入和欧姆接触姆接触&小结小结EcEFEvE0WSPEPEg电子工程系电子工程系EEEE5msWW二、金属与半导体的接触及接触电势差二、金属与半导体的接触及接触电势差1. 1. 阻挡层接触阻挡层接触设想有一块金属和一

4、块设想有一块金属和一块N N型半导体，并假定金属的功型半导体，并假定金属的功函数大于半导体的功函数，即：函数大于半导体的功函数，即：&金属半导金属半导体接触及体接触及其能级图其能级图&金属半导体金属半导体接触整流理接触整流理论论&少数载流子少数载流子的注入和欧的注入和欧姆接触姆接触&小结小结接触前：接触前：FFsmEEFFmssmEEWWE0 xWsEFsEcEnWmEFmEv电子工程系电子工程系EEEE6&金属半导金属半导体接触及体接触及其能级图其能级图&金属半导体金属半导体接触整流理接触整流理论论&少数载流子少数载流子的注入和欧的注入和欧姆接触姆接触&小结小结半导体中的电子半导体中的电子

5、半导体电势提高！半导体电势提高！q q（VsVs-Vm-Vm）=Wm-Ws=Wm-Ws金属金属+ +smmsmsWWVVVqV Vmsms称为金属与半导体称为金属与半导体接触电势差接触电势差。接触后：接触后：E0 xWsEFsEcEnWmEFmEvVms电子工程系电子工程系EEEE7&金属半导金属半导体接触及体接触及其能级图其能级图&金属半导体金属半导体接触整流理接触整流理论论&少数载流子少数载流子的注入和欧的注入和欧姆接触姆接触&小结小结忽略间隙中的电势差时的极限情形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：半导体一边的势垒高度为：VsVs为半导体的表面势为半导体的表面势0(WW

6、s s，半导体，半导体表面形成表面势垒。在表面形成表面势垒。在势垒区，空间电荷主要势垒区，空间电荷主要由电离施主形成，电子由电离施主形成，电子浓度比体内小得多，是浓度比体内小得多，是一个高阻区域，称为一个高阻区域，称为阻阻挡层挡层。界面处的势垒通。界面处的势垒通常称为常称为肖特基势垒肖特基势垒。EcEFEnqVdnsqEv电子工程系电子工程系EEEE9&金属半导金属半导体接触及体接触及其能级图其能级图&金属半导体金属半导体接触整流理接触整流理论论&少数载流子少数载流子的注入和欧的注入和欧姆接触姆接触&小结小结2. 2. 反阻挡层接触反阻挡层接触若若WWm mW00， 能带向下弯曲。这里电子浓度

7、比体内大得多，能带向下弯曲。这里电子浓度比体内大得多， 因而是一个高电导的区域，称之为反阻挡层。因而是一个高电导的区域，称之为反阻挡层。EcEFWs-WmEvx-Wm电子工程系电子工程系EEEE10&金属半导金属半导体接触及体接触及其能级图其能级图&金属半导体金属半导体接触整流理接触整流理论论&少数载流子少数载流子的注入和欧的注入和欧姆接触姆接触&小结小结金属与金属与P P型半导体接触时，若型半导体接触时，若WWm mWWWs s，能带向，能带向上弯曲，形成上弯曲，形成P P型反阻挡层。型反阻挡层。上述金半接触模型即为上述金半接触模型即为Schottky Schottky 模型。模型。N N型

8、型P P型型WmWs阻挡层阻挡层反阻挡层反阻挡层WmWs反阻挡层反阻挡层阻挡层阻挡层电子工程系电子工程系EEEE11&金属半导体金属半导体接触及其能接触及其能级图级图&金属半导金属半导体接触整体接触整流理论流理论&少数载流子少数载流子的注入和欧的注入和欧姆接触姆接触&小结小结金属半导体接触整流理论金属半导体接触整流理论1、阻挡层的整流特性外加电压对阻挡层的作用电子工程系电子工程系EEEE12&金属半导体金属半导体接触及其能接触及其能级图级图&金属半导金属半导体接触整体接触整流理论流理论&欧姆接触欧姆接触&小结小结金属半导体接触整流理论金属半导体接触整流理论电子工程系电子工程系EEEE13&金属

9、半导体金属半导体接触及其能接触及其能级图级图&金属半导金属半导体接触整体接触整流理论流理论&欧姆接触欧姆接触&小结小结金属半导体接触整流理论金属半导体接触整流理论电子工程系电子工程系EEEE14肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管总结：总结：p金属和低掺杂的半导体形成的接触具有整流特性。在不考虑表面态时称为肖特基接触或肖特基模型，形成的势垒称为肖特基势垒。p肖特基势垒的整流特性采用了扩散理论和热电子发射理论，后者适用于载流子迁移率大的材料，如硅、锗、砷化镓等，而前者适用于迁移率小的材料，例如碳化硅、锑化锌等材料。肖特基势垒二极管：肖特基势垒二极管：利用金属-半导体整流接触特性制成的二极管。特点：特

10、点：肖特基二极管是一种多数载流子器件多数载流子器件，即形成电流的载流子主要是多数载流子。故比pn结二极管有更好的高频特性。对于同样的电流，有较低的正向导通电压，0.3V。&金属半导体金属半导体接触及其能接触及其能级图级图&金属半导金属半导体接触整体接触整流理论流理论&欧姆接触欧姆接触&小结小结电子工程系电子工程系EEEE15欧姆接触：欧姆接触：金属与半导体接触时形成的非整流接触 不产生明显的附加阻抗 不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的变化 不影响器件的电流电压特性理想欧姆接触的接触电阻与半导体样品或器件相比应当很小。半导体器件要求在金属和半导体之间形成良好的欧姆半导体器件要求在金属和半

11、导体之间形成良好的欧姆接触。接触。在超高频和大功率器件中，欧姆接触是设计和制造中的关键问题之一。实现欧姆接触的方法：实现欧姆接触的方法：利用隧道效应的原理重掺杂重掺杂的pn结可以产生显著的隧道电流。当隧道电流占主导地位时，它的接触电阻可以很小，可以用作欧姆接触。半导体重掺杂时与金属的接触可以形成接近理想的半导体重掺杂时与金属的接触可以形成接近理想的欧姆接触欧姆接触。&金属半导体金属半导体接触及其能接触及其能级图级图&金属半导体金属半导体接触整流理接触整流理论论&欧姆接触欧姆接触&小结小结欧姆接触欧姆接触电子工程系电子工程系EEEE16欧姆接触欧姆接触&金属半导体金属半导体接触及其能接触及其能级

12、图级图&金属半导体金属半导体接触整流理接触整流理论论&欧姆接触欧姆接触&小结小结电子工程系电子工程系EEEE17欧姆接触欧姆接触&金属半导体金属半导体接触及其能接触及其能级图级图&金属半导体金属半导体接触整流理接触整流理论论&欧姆接触欧姆接触&小结小结电子工程系电子工程系EEEE18总结：总结：p金属和半导体的功函数，电子的亲和能，金属和半导体的功函数，电子的亲和能，N N型型P P型型半导体的功函数表达式，金属与半导体接触电势差，半导体的功函数表达式，金属与半导体接触电势差，阻挡层接触，反阻挡层接触阻挡层接触，反阻挡层接触p阻挡层的整流特性（外加电压对阻挡层的作用）阻挡层的整流特性（外加电压对阻挡