半导体 第七章 金属和半导体的接触

1、第七章第七章 金属和半导体的接触金属和半导体的接触本章内容金属和半导体接触（4学时）金属半导体接触及其能级图；少数载流子的注入和欧姆接触。重点：金属和半导体之间接触的能带图，少数载流子的注入过程和形成欧姆接触的必要条件。半导体 第七章 金属和半导体的接触7.1 7.1 金属半导体接触及其金属半导体接触及其能级图能级图金属功金属功函数函数00()mFmWEEE为真空中静止电子的能量。7.1.1 7.1.1 金属和半导体的功函数金属和半导体的功函数金属中的电子虽然能在金属中自由运动金属中的电子虽然能在金属中自由运动，但绝大多数所处的能级都低于体外能级。但绝大多数所处的能级都低于体外能级。半导体 第

2、七章 金属和半导体的接触金属功函数随原子序数的递增呈现周期性变化金属功函数随原子序数的递增呈现周期性变化半导体 第七章 金属和半导体的接触关于功函数的几点说明关于功函数的几点说明:对对金属而言金属而言, 功函数功函数Wm可看作是固定的可看作是固定的. 功功函数函数Wm标志了电子在金属中被束缚的程度标志了电子在金属中被束缚的程度. 对半导体而言对半导体而言, , 功函数与掺杂有关功函数与掺杂有关功功函数与表面有关函数与表面有关.功函数是一个统计物理量。功函数是一个统计物理量。半导体 第七章 金属和半导体的接触半导体的功函数半导体的功函数WsE0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

3、半导体的功函数。0()sFsWEEEc(EF)sEvE0Ws表示从表示从Ec到到E0的能量间隔：的能量间隔：0cEE称称为电子的亲和能，它表示要使半导体导带底的为电子的亲和能，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。电子逸出体外所需要的最小能量。EnEp半导体 第七章 金属和半导体的接触 故故 其中其中() scFsnWEEE()ncFsEEE对半导体，电子亲和能对半导体，电子亲和能是固定的，功函数与掺杂有关是固定的，功函数与掺杂有关半导体 第七章 金属和半导体的接触n半导体功函数与杂质浓度的半导体功函数与杂质浓度的关系关系 n型半导体型半导体: p型半导体型半导体:scFnsW

4、EEE()()soFsgFvWEEEEE半导体 第七章 金属和半导体的接触7.1.2 7.1.2 接触电势差接触电势差设想有一块金属和一块设想有一块金属和一块n n型半导体，并假定型半导体，并假定金属的功函数大于半导体的功函数，即：金属的功函数大于半导体的功函数，即：msWWFFsmEEFFmssmEEWW接触前：接触前：E Ec c(E(EF F) )s sE Ev vE0 WWs sE En nWWm m(E(EF F) )m m半导体 第七章 金属和半导体的接触n金属和半导体间距离金属和半导体间距离D D远大于原子间距远大于原子间距smmsmsWWVVVq由于由于WmWs，即，即 EFm

5、WWs s，半导体表面形成正的空间电荷区，电场，半导体表面形成正的空间电荷区，电场由体内指向表面，由体内指向表面，V Vs s00，形成表面势垒（阻挡，形成表面势垒（阻挡层）。层）。E En nE Ec cE Ev v(E(EF F) )s sqVqVD Dq qnsnsWWm m 能带向上弯曲，形成表面势垒。势垒区电子浓度能带向上弯曲，形成表面势垒。势垒区电子浓度比体内小得多比体内小得多高阻区高阻区( (阻挡层阻挡层) )。半导体 第七章 金属和半导体的接触n若若W Wm mW00。形。形成高电导区（反阻挡层）。成高电导区（反阻挡层）。能带向下弯曲。这里电子浓度比体内大得多，能带向下弯曲。这

6、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。E En nE Ec cE Ev v(E(EF F) )s sqVDX-Wm半导体 第七章 金属和半导体的接触金属与金属与p p型半导体接触时，若型半导体接触时，若WWm mWWWs s，能带向上，能带向上弯曲，形成弯曲，形成P P型反阻挡层。型反阻挡层。半导体 第七章 金属和半导体的接触n n型型p p型型WWm mWWs s阻挡层阻挡层反阻挡层反阻挡层WWm mW0V0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，则外加电压降方向型半导体接电源负极，则外加电压降方向由金属

7、指向半导体，外加电压方向和接触表面势方向相反，使由金属指向半导体，外加电压方向和接触表面势方向相反，使势垒高度下降，电子顺利的流过降低了的势垒。从半导体流向势垒高度下降，电子顺利的流过降低了的势垒。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向电流。向半导体的正向电流。半导体 第七章 金属和半导体的接触n（3 3）V0V0V0时，若时，若qVkqVk0 0T T，则，则n当当V0Vk|qV|k0 0T T，则，则n该该理论适用于迁移率理论适用于迁移率较小，平均自由程较短的半导体，较小，平均自由程较短的半导体

8、，如氧化亚铜。如氧化亚铜。)exp(0TkqVJJsDsDJJ半导体 第七章 金属和半导体的接触半导体 第七章 金属和半导体的接触n当当n n型阻挡层很薄，电子平均自由程远大于势型阻挡层很薄，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。垒宽度。起作用的是势垒高度而不是势垒宽度。电流的计算归结为超越势垒的载流子数目电流的计算归结为超越势垒的载流子数目。n假定，由于越过势垒的电子数只占半导体总电假定，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子数很少一部分，故半导体内的电子浓度可以视为常数视为常数。n讨论非简并半导体的情况。讨论非简并半导体的情况

9、。 热电子发射理论热电子发射理论半导体 第七章 金属和半导体的接触n针对针对n n型半导体，电流密度型半导体，电流密度*20exp()nssTqJA Tk T0exp() 1sTqVJJk T其中理查逊常数其中理查逊常数320*4hkqmAnGeGe、SiSi、GaAsGaAs有较高的载流子迁移率，有较大的平有较高的载流子迁移率，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均自由程，因此在室温下主要是多数载流子的热电子发射。子发射。半导体 第七章 金属和半导体的接触n两种理论结果表示的阻挡层电流与外加电压变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，体现了电导非对称化关系

10、基本一致，体现了电导非对称性性n正向电压，电流随电压指数增加；负向电压，正向电压，电流随电压指数增加；负向电压，电流基本不随外加电压而电流基本不随外加电压而变化变化nJ JSDSD与外加电压有关；与外加电压有关；J JSTST与外加电压无关，强烈与外加电压无关，强烈依赖温度依赖温度T T。当温度一定，。当温度一定，J JSTST随反向电压增加随反向电压增加处于饱和状态，称之为反向饱和电流。处于饱和状态，称之为反向饱和电流。半导体 第七章 金属和半导体的接触 镜像力和隧道效应的影响镜像力和隧道效应的影响半导体 第七章 金属和半导体的接触 镜像力的影响镜像力的影响半导体 第七章 金属和半导体的接触

11、n隧道效应隧道效应 微观粒子要越过一个势垒时，能量超过微观粒子要越过一个势垒时，能量超过势垒高度势垒高度的微粒的微粒子，可以越过势垒，而能量低于子，可以越过势垒，而能量低于势垒高度势垒高度的粒子也有一的粒子也有一定的概率穿过势垒，其他的则定的概率穿过势垒，其他的则被反射被反射。这就是所谓微粒。这就是所谓微粒子的隧道效应。子的隧道效应。 半导体 第七章 金属和半导体的接触 隧道效应的影响隧道效应的影响结论：结论：只有在反向电压较高时，电子的动能较大，使有效势垒高只有在反向电压较高时，电子的动能较大，使有效势垒高度下降较多，对反向电流的影响才是显著的。度下降较多，对反向电流的影响才是显著的。半导体

12、 第七章 金属和半导体的接触肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管n与与p-np-n结的相同点结的相同点： n单向导电性单向导电性 。n与与p-np-n结的不同点结的不同点：（1）多数载流子器件和少数载流子器件）多数载流子器件和少数载流子器件（2）无电荷存贮效应和有电荷存贮效应）无电荷存贮效应和有电荷存贮效应（3）高频特性好。）高频特性好。（4）正向导通电压小。）正向导通电压小。半导体 第七章 金属和半导体的接触肖特基二极管肖特基二极管J JsDsD和和J JsTsT比比p-np-n结反向饱和电流结反向饱和电流J Js s大大得多得多。即肖。即肖特基特基二极管有较低二极管有较低的正向导通电压。的正向

13、导通电压。n用途用途：钳位二极管：钳位二极管( (提高电路速度提高电路速度) )等。等。半导体 第七章 金属和半导体的接触nn 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，接触面处的电子浓度是接触面处的电子浓度是n电子的阻挡层就是空穴积累层。电子的阻挡层就是空穴积累层。在势垒区，空穴的浓度在表面在势垒区，空穴的浓度在表面处最大。体内空穴浓度为处最大。体内空穴浓度为p p0 0，则，则表面浓度为表面浓度为)exp()0(00TkqVnnD)exp()0(00TkqVppD7.37.3少数载流子少数载流子的的注入和欧姆接触注入和欧姆接触.1少数载流子的注入少数载

14、流子的注入半导体 第七章 金属和半导体的接触n加正压时，势垒降低，形加正压时，势垒降低，形成自外向内的空穴流，形成自外向内的空穴流，形成的电流与电子电流方向成的电流与电子电流方向一致。一致。n空穴电流大小，取决于阻空穴电流大小，取决于阻挡层的空穴浓度。挡层的空穴浓度。半导体 第七章 金属和半导体的接触n平衡时，如果接触面处有平衡时，如果接触面处有n此时若有外加电压，此时若有外加电压，p(0)p(0)将超过将超过n n0 0，则空穴电，则空穴电流的贡献就很重要了流的贡献就很重要了。n加正向电压时，少数载流子电流与总电流值加正向电压时，少数载流子电流与总电流值比称为少数载流子的注入比，用比称为少数

15、载流子的注入比，用表示。表示。)()0(FcvFEEEE半导体 第七章 金属和半导体的接触n加正电压时，势垒两边界处的电子浓度将保持加正电压时，势垒两边界处的电子浓度将保持平衡值，而空穴在阻挡层内界形成积累，然后平衡值，而空穴在阻挡层内界形成积累，然后再依靠扩散运动继续进入半导体内部再依靠扩散运动继续进入半导体内部。n对对n n型阻挡层而言型阻挡层而言2*20/()expiPPpPPnnPnSDqnJDJJJJJJLqN A Tk T半导体 第七章 金属和半导体的接触7.2.2 7.2.2 欧姆接触欧姆接触n定义定义n不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平不产生明显的附加阻抗，而且不会

16、使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的变化。衡载流子浓度发生显著的变化。n当有电流经过时，欧姆接触上的电压降应远小当有电流经过时，欧姆接触上的电压降应远小于样品或者器件本身的压降，即电流于样品或者器件本身的压降，即电流- -电压特性电压特性是由样品的电阻或者器件的特性决定的。是由样品的电阻或者器件的特性决定的。半导体 第七章 金属和半导体的接触n实现实现 n反阻挡层没有整流作用，但由于常见半导体材料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，因此很难用选择金一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。属材料的办法来获得欧姆接触。 n隧道效应隧道

17、效应： 重掺杂的半导体与金属接触重掺杂的半导体与金属接触时，则势垒时，则势垒宽度变得宽度变得很薄，电子通过隧道效应贯穿势垒很薄，电子通过隧道效应贯穿势垒产生大产生大隧道电隧道电流，甚至超过热电子发射电流而流，甚至超过热电子发射电流而成为成为电流的主要电流的主要成分，即可形成接近理想的成分，即可形成接近理想的欧姆接触欧姆接触。半导体 第七章 金属和半导体的接触n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n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10)(VcVIR200)(2)(dxqNxVrD半导体 第七章 金属和半导体的接触n电子的势垒为电子的势垒为n令令y=dy=d0 0-x-x，则，则2002)(2)(dxNqxqVrD220( )2Drq NqV yy 半导体 第七章 金属和半导体的接触n根据量子力学中的结论，根据量子力学中的结论，x=dx=d0 0处导带底电子通处导带底电子通过隧道效应贯穿势垒的隧道概率过隧道效应贯穿势垒的隧道概率为为n有有外加电压时，势垒宽度为外加电压时，势垒宽度为d d，表面势为，表面势为(V(Vs s) )0 0+V+V，则隧道概率，则隧道概率)()(4exp)()2(4exp02120*210212*0sDRndnVNhmdyyqVhmP)()(4exp)()(4exp21220