第5章金属和半导体的接触2011

1、2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平1第五章 金属和半导体的接触5.1金属半导体接触及其平衡态5.1.1 金属和半导体的功函数5.1.2 有功函数差的金-半接触5.1.3 表面态对接触电势差的影响5.1.4 欧姆接触5.2 金属半导体接触的非平衡状态5.2.1 不同偏置状态下的肖特基势垒5.2.2 正偏肖特基势垒区中的费米能级5.2.3 厚势垒区金属半导体接触的伏安特性5.2.4 薄势垒区金属半导体接触的伏安特性5.2.5 金半接触的少子注入问题5.2.6 非平衡态肖特基势垒接触的特点及其应用2021-10-132021-10-13西

2、安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平2金属半导体接触金半接触的整流效应是半导体物理效应的早期发现之一，并且最早付诸应用：1874年，德国物理学家布劳恩发现金属探针与PbS和FeS2晶体的接触具有不对称的伏安特性；1876年，英国物理学家亚当斯发现光照能使金属探针与Se的点接触产生电动势；1883年，福里茨发现金属探针与Se的点接触的整流特性；2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平3金属半导体接触1904年，美国电气工程师鲍斯获得Si和PbS点接触整流器的专利权1906年，美国电气工程师皮卡德获得点接触晶体检波器的专利权

3、，这种器件是晶体检波接收机（即矿石收音机）的关键部件；1920年，硒（Se）金半接触整流器投入应用；1926年，Cu2O点接触整流二极管问世，并在二战中应用于雷达检波。2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平4第五章 金属和半导体的接触5.1金属半导体接触及其平衡态5.1.1 金属和半导体的功函数5.1.2 有功函数差的金-半接触5.1.3 表面态对接触电势差的影响5.1.4 欧姆接触5.2 金属半导体接触的非平衡状态5.2.1 不同偏置状态下的肖特基势垒5.2.2 正偏肖特基势垒区中的费米能级5.2.3 厚势垒区金属半导体接触的伏安特性

4、5.2.4 薄势垒区金属半导体接触的伏安特性5.2.5 金半接触的少子注入问题5.2.6 非平衡态肖特基势垒接触的特点及其应用2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平55.1.1 金属和半导体的功函数1、金属的功函数2、半导体的功函数 l功函数的定义: 真空能级E0与费米能级EF能量之差. W= E0 - EFE02021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平6金属的功函数:真空能级E0与金属费米能级 EFm能量之差Wm= E0 EFm1、金属的功函数金属中的电子虽然在金属中自由运动，但要

5、使电子从金属中逸出必须由外界给它以足够的能量.因此,金属向真空发射电子需要最低能量,这一最低能量定义为金属的功函数.功函数的大小反映了电子在金属中被束缚的强弱。金属中的电子势阱 2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平7几种常见元素的功函数（eV）元素AlCuAuWAgMoPtAl功函数4.184.595.204.554.424.215.434.18几种常见元素的功函数（eV）2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平82 半导体的功函数半导体的功函数类似定义为真空能级E0与半导体费米

6、能级EFs能量之差Ws= E0 EFs半导体的功函数WS是杂质浓度的函数，而不像金属那样基本为一常数。 半导体中的电子从半导体中逸出必须由外界给它以足够的能量. 电子亲合能X 定义:E0与Ec之差CEE 02021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平9半导体的功函数与杂质浓度的关系半导体电子亲合能X(eV)功函数Ws(eV)n型ND (cm-3) p型NA(cm-3)101410151016101410151016Si4.054.374.314.254.874.934.99Ge4.134.434.374.314.514.574.63GaAs4

7、.074.294. 234.175.205.265.32半导体的功函数WS= E0 - EFSEFS WS 2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平10半导体的功函数与杂质浓度的关系几种半导体的电子亲和能及其在不同掺杂浓度下的功函数计算值 半导体电子亲合能X(eV)功函数Ws(eV)n型 ND (cm-3) p型 NA(cm-3)101410151016101410151016Si4.054.374.314.254.874.934.99Ge4.134.434.374.314.514.574.63GaAs4.074.294. 234.175

8、.205.265.32半导体的功函数WS= E0 - EFSEFS WS 2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平115.1.2 有功函数差的金半接触 1、金属n型半导体接触 1) WMWS 2) WMWS2、金属p型半导体接触 1) WMWS 2) WMWS 3、肖特基势垒接触2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平121、金属与n型半导体的接触 1) WMWS当金属费米能级EFm与半导体费米能级EFs相同时二者达到平衡由于WMWS,表明n型半导体的费米能级EFs高于金属的费米能级

9、EFm ,半导体中的电子向金属中移动,金属表面带负电,半导体表面带正电。2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平131、金属与n型半导体的接触 WMWS ,表明n型半导体的费米能级EFs高于金属的费米能级EFm ,半导体中的电子向金属中移动,金属表面带负电,半导体表面带正电。当金属与n型半导体接触时，若WMWS，则在半导体表面形成一个由电离施主构成的正空间电荷区，其中电子浓度极低，是一个高阻区域，常称为电子阻挡层。阻挡层内存在方向由体内指向表面的自建电场，它使半导体表面电子的能量高于体内，能带向上弯曲，即形成电子的表面势垒，因此该空间电荷

10、区又称电子势垒区。 2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平14接触电势差与阻挡层由于WMWS,表明n型半导体的费米能级EFs高于金属的费米能级EFm ,半导体中的电子向金属中移动,金属表面带负电,半导体表面带正电。当金属费米能级EFm与半导体费米能级EFs相同时二者达到平衡半导体表面形成空间电荷区，电场方向由体内指向表面，使表面电子的能量高于体内,能带向上弯曲构成势垒。由于空间电荷区主要由电离施主形成,是一个高阻区,故称之为n型阻挡层型阻挡层。2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑

11、平152) WMWS的情况半导体表面带负电,空间电荷区电场的方向由半导体表面指向体内，表面电子的能量低于体内，能带向下弯曲，表面处电子浓度远大于体内。所以此时的空间电荷区是一个很薄的高电导层，称之为反阻挡层，对半导体和金属的接触电阻影响很小。WMWS, 金属的费米能级高于n型半导体的费米能级,金属中的电子向半导体中移动,在半导体表在半导体表面形成电子累积的负空面形成电子累积的负空间电荷区间电荷区.WmWsn型反阻挡层2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平162、金属与p型半导体的接触1）WMWS时，能带向下弯曲成为空穴势 垒，p型阻挡层

12、。 2）WMWS时，能带向上弯曲，形成p型反 阻挡层；2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平17接触电势差qVms=Wm Ws表面势Vs:半导体表面与体内电势之差半导体侧的势垒高度qVD=WmWs金属侧的势垒高度qns=qVD+En =Wmx肖特基势垒接触与阻挡层阻挡层形成的条件阻挡层形成的条件金属与n型半导体接触: WMWS金属与p型半导体接触: WMWS肖特基势垒高度只与金属的功函数和半导体的亲和能有关,与半导体掺杂与否没有关系。 2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平183

13、、肖特基(势垒)接触满足条件WMWS的金属与n型半导体的接触和WMWs的金属接触时,半导体中表面态的电子向金属中移动,如果表面态密度很高,则能够提供足够多的电子,而半导体势垒区几乎不发生变化.2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平26因此,如果用表面态密度高的n型半导体与金属相接触，即便WmWs,由于EFS高于EFm，同样会有电子流向金属，但这些电子并不是来自半导体体内，而是由表面态提供。由于表面态密度很高，能放出足够多的电子，所以半导体势垒区的状态几乎不会发生变化。平衡时，金属的费米能级与半导体的费米能级达到同一水平，即也被钉扎在q0

14、附近。当半导体的表面态密度很高时，由于它可屏蔽金属接触的影响，以至于使得半导体近表面层的势垒高度和金属的功函数几乎无关，而基本上仅由半导体的表面性质所决定 .b)表面态密度很高时-势垒钉扎2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平27表面态对金半接触的影响 小结表面态改变了半导体的功函数表面态使金-半接触的势垒高度不等于功函数差高表面态密度的半导体可以屏蔽金属接触的影响2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平28本节内容小结1、半导体的功函数2、阻挡层的形成3、表面态对金半接触的影响1

15、、半导体的功函数FSSEEW0E0EFSWm2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平292、阻挡层的形成金属n型半导体接触 WMWS金属p型半导体接触 WMWS2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平303 表面态对金半接触的影响表面态改变了半导体的功函数，使金-半接触的势垒高度不等于功函数差高表面态密度的半导体可以屏蔽金属接触的影响 如果用表面态密度很高的半导体与金属相接触，由于半导体表面释放和接纳电子的能力很强，整个金属半导体系统费米能级的调整主要在金属和半导体表面之间进行。这样

16、，无论金属和半导体之间功函数差别如何，由表面态产生的半导体表面势垒区几乎不会发生什么变化。平衡时，金属的费米能级与半导体的费米能级被钉扎在EFS0附近。这就是说，当半导体的表面态密度很高时，由于它可屏蔽金属接触的影响，使得半导体近表面层的势垒高度和金属的功函数几乎无关，而基本上仅由半导体的表面性质所决定。 2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平315.1.4 欧姆接触 不产生明显的附加阻抗，也不会像pn结那样以注入和抽取的方式使半导体的载流子密度发生改变.任何两种物体的接触都会产生电阻，即接触电阻. 欧姆接触也不例外，但其阻值应为不随电

17、压变化的常数，且在理想情况下应该趋于零欧姆接触的实现似乎可以选择高电导的反阻挡层金属材料。但高密度表面态的存在使Ge、Si、GaAs这些常用半导体无论与什么样的金属接触都会形成阻挡层，很难形成反阻挡层 。工程中通常不采用根据功函数选择金属材料的办法，而用对接触面实行重掺杂的方法形成欧姆接触，即通过重掺杂使半导体表面势垒区变得非常窄，借助隧穿效应将势垒接触变为欧姆接触 。 重掺杂pn结的空间电荷区可以薄到电子的隧穿长度之下。这样的pn结因电子隧穿而失去空间电荷区对载流子的阻挡作用。对金半接触而言，如果半导体是重掺杂，其阻挡层也会很薄。 制作欧姆接触最常用的方法就是在半导体表面首先形成一个同型重掺

18、杂薄层，然后再淀积金属，形成金属-n+n或金属-p+p结构。由于低阻接触层的引入，金属的选择就比较自由。在半导体表面淀积金属电极的方法很多，常用的有蒸发、溅射和电镀等。 2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平32第五章 金属和半导体的接触5.1金属半导体接触及其平衡态5.1.1 金属和半导体的功函数5.1.2 有功函数差的金-半接触5.1.3 表面态对接触电势差的影响5.1.4 欧姆接触5.2 金属半导体接触的非平衡状态5.2.1 不同偏置状态下的肖特基势垒5.2.2 正偏肖特基势垒区中的费米能级5.2.3 厚势垒区金属半导体接触的伏安

19、特性5.2.4 薄势垒区金属半导体接触的伏安特性5.2.5 金半接触的少子注入问题5.2.6 非平衡态肖特基势垒接触的特点及其应用2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平335.2 金属半导体接触的非平衡状态5.2.1 不同偏置状态下的肖特基势垒5.2.2 正偏肖特基势垒区中的费米能级5.2.3 厚势垒区金属半导体接触的伏安特性5.2.4 薄势垒区金属半导体接触的伏安特性5.2.5 金半接触的少子注入问题5.2.6 非平衡态肖特基势垒接触的特点及其应用2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程

20、系马剑平345.2.1 不同偏置状态下的肖特基势垒一、势垒高度二、势垒区的宽度、电场和电容三、电流密度2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平35一、势垒高度平衡态肖特基势垒接触的半导体表面与体内电位之差(表面势)为VD 当有外加电压U全部降落于其上时,二者之间的电位差即变为VDU,阻挡层电子势垒的高度也相应地从qVD变为q(VD+U)。正偏置时U与平衡态表面势VD符号相反,阻挡层势垒高度为q(VDU)；反偏置时U与平衡态表面势VD符号相同,阻挡层势垒高度为q(VDU) 由于外加电压在金属一侧没有降落,偏置状态下,电子在金属一侧的势垒高度

21、qM不会随电压变化而变化，永远保持其平衡态的高度不变。WMWS的金属与n型半导体接触处于不同偏置状态的能带示意图 2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平36二、势垒区的宽度、电场和电容金属和n型半导体接触形成肖特基势垒接触时，金属表面荷负电且有远高于半导体的电荷密度，半导体近表面区则存在等量的正空间电荷，其分布情况和具有同样电场分布的p+n单边突变结完全相同,势垒区可近似为一个耗尽层。设均匀掺杂，耗尽层中电荷密度为qND 。+ + + + +xDx平衡态势垒区的宽度XD,最大电场强度Em和势垒比电容CTS分别为 DDDTSDDmDDDX

22、VqNCVqNqNVX00002 ,2 ,2偏置状态下 DDDTSDDmDDDXUVqNCUVqNqNUVX0000)(2 ,)(2 ,)(2偏置状态下半导体一侧的空间电荷区宽度、最大电场强度、势垒比电容都随着外加电压的变化而变化，与单边突变结完全类似。 2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平37三、通过势垒的电流密度正偏置时，从半导体进入金属的载流子数会因势垒高度的降低而显著增加，但从金属到半导体的同类载流子则因肖特基势垒高度qM不变而没有变化，因而形成较大的正向电流。外加正向电压越高，势垒降低越多，正向电流越大。反向偏置时，由于半导

23、体一侧势垒升高、金属一侧的势垒高度仍然不变，从半导体进入金属的载流子数显著减小，从金属流向半导体的同类载流子数占相对优势，两相抵消得到从金属到半导体的净电流，方向与正向电流方向相反。但是，金属中的电子要越过相当高的势垒qM才能进入半导体，因此反向电流密度极小。另一方面，由于金属一侧的势垒不随外加电压变化，从金属进入半导体的载流子数恒定不变，而从半导体进入金属的载流子则随反向电压的升高而减少，当反向电压升高到其值可忽略不计时，反向电流即趋于饱和。所以，不同偏置条件下的肖特基势垒接触与pn结类似，也具有单向导电性甚至反向电流的饱和性。因而这种接触也是一种整流接触。不过，肖特基势垒肖特基势垒接触的正

24、、反向电流都是由多数载流子传输的接触的正、反向电流都是由多数载流子传输的，在这点上与pn结有本质不同。 2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平385.2.2 正偏肖特基势垒区中的费米能级 2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平392 热电子发射理论当n型阻挡层很薄时，电子的平均自由程远大于势垒宽度，扩散理论显然不再适用。此时，势垒的高度成为电子能否通过的决定因素。热电子发射理论认为，半导体内部的电子只要其能量超越势垒的顶点就可以自由通过势垒阻挡层进入金属。同样，金属中能量超越势垒

25、顶点的电子也可以到达半导体内。所以，电流的计算就归结为计算能量超越势垒顶点的电子数目。这就是热电子发射理论的核心观点。2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平40半导体中的电子数密度按速度的分布dEeEEhmdnTkEEcnF02132324dEeeEEhmdnTkEETkEEcncFc002132324221vmEEncTkEEcFceNn00dvTkvmvTkmndnnn02223002exp24vdvmdEn2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平41从半导体中进入金属的电子数

26、目zyxzyxnndvdvdvTkvvvmTkmndn022223002exp2dvvTkvmTkmndnnn202230042exp2VVqvmsxn0221zyxxzyxnndvdvdvvTkvvvmTkmndN022223002exp22/1002nsxmVVqvxvxnxyynzznnmsdvTkvmvdvTkvmdvTkvmTkmqnJx002020223002exp2exp2exp2TkvmmTkqnJxnnms0202/1002exp22021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平42总的电流密度1expexp002TkqVTkq

27、TAJJJnssmmsTkqVTkqTATkqVqVTkEEThkqmJnssFcnms0020002220expexpexpexp4TkqTAJnssm02expTkvmmTkqnJxnnms0202/1002exp2TkEEnFcehTkmn032300222/1002nsxmVVqv2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平43从金属中进入半导体的电子数目金属中能量超越势垒顶点的电子也可以到达半导体内，由于从金属到半导体所面临的势垒高度不随外加电压变化，所以从金属中进入半导体的电子数目是个常量，等于热平衡条件(V=0)下从半导体中进入

28、金属的电子数目，显然二者大小相等方向相反:TkqTAJnssm02exp2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平44STM: Schematic of TechniqueConstant current contour Thermionic emitters are used as electron sources in devices such as TV, SEM, etcTipBias voltagee-DistanceSampleTunneling current e -2ksVDC2021-10-132021-10-13西安理工

29、大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平453 镜像力和隧道效应的影响镜像力:金属外的电子必然会在金属表面感应出等量的正电荷，而金属内部的电子与感应电荷之间存在吸引力，这个正电荷称为镜像电荷，这个吸引力称为镜像力。考虑到镜像力必然会引起电势能的变化，因此必须对接触处的理想模型进行修正；隧道效应:根据隧道效应原理,即使电子的能量低于势垒也有一定的概率穿过这个势垒,隧穿概率与电子的能量和势垒厚度有关。2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平465.2.2 正偏肖特基势垒区中的费米能级 2021-10-132021-10-13西安理工大

30、学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平47隧道效应.swf2021-10-132021-10-13西安理工大学电子工程系马剑平西安理工大学电子工程系马剑平484 肖特基势垒二极管就载流子的运动形式而言，p-n结正向导通时，由p区注入的空穴和由n区注入的电子都是少数载流子，它们先形成一定的积累，然后靠扩散运动形成电流。这种注入的非平衡载流子的积累称为电荷存储效应，严重影响p-n结的高频性能。p-n结二极管是少子器件，具有电荷存储效应。肖特基势垒二极管的正向导通电流主要是由半导体中的多数载流子进入金属形成，是多子器件。肖特基势垒二极管具有比p-n结二极管更好的高频特性。对于同样的使用电流，肖特