金属半导体接触解读课件

1、第七章 金属和半导体的接触 第1页，共58页。 1、金属半导体接触及其能级图第2页，共58页。（1）金属和半导体的功函数 在绝对零度时，金属中的电子填满了EF以下所有能级，而高于EF的能级则全空, 在一定温度下，只有EF附近的少数电子受热激发，由低于EF的能级跃迁到高于EF的能级上，但绝大部分电子仍不能脱离金属而逸出体外。 这说明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,要使电子从金属中逸出，必须由外界给它足够能量。所以，金属内部电子是在势阱中运动。第3页，共58页。金属的功函数Wm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需

2、要的最小能量。E0(EF)mWmE0为真空中电子的能量，又称为真空能级。第4页，共58页。第5页，共58页。半导体的功函数WsE0与费米能级之差称为半导体的功函数。Ec(EF)sEvE0Ws表示从Ec到E0的能量间隔：称为电子的亲和能，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。EnEp第6页，共58页。式中：n型半导体：Ec(EF)sEvE0WsEnEp第7页，共58页。p型半导体：Ec(EF)sEvE0WsEnEp第8页，共58页。n型半导体：p型半导体：第9页，共58页。设想有一块金属和一块n型半导体，并假定金属的功函数大于半导体的功函数，即：（2）接触电势差接触前：Ec(EF

3、)sEvE0WsEnWm(EF)m第10页，共58页。第11页，共58页。Vs为表面势第12页，共58页。半导体中的电子金属+接触后：半导体一边的势垒高度为：金属一边的势垒高度为：EnEcEv(EF)sqVDqnsWm第13页，共58页。金属与n型半导体接触 接触电势差Vs=Ws-Wm WmWs形成表面势垒势垒区电子浓度比体内小得多高阻区(阻挡 层)。界面处的势垒通常称为肖特基势垒。第14页，共58页。若WmWs，能带向上弯曲，形成P型反阻挡层。金属与p型半导体接触时，若WmWs阻挡层反阻挡层WmWs反阻挡层阻挡层上述金半接触模型即为Schottky 模型：第18页，共58页。（3）表面态对接

4、触势垒的影响第19页，共58页。这说明：金属功函数对势垒高度影响不大不同金属，虽功函数相差很大，但与半导体接触，形成势垒的高度相差很小原因：半导体表面存在表面态第20页，共58页。从能带的角度进行解释基本概念：表面能级：在半导体表面处的禁带中存在着表面态，对应的能级成为表面能级。施主型表面态：能级被电子占据时呈电中性，施放电子后呈正电性。受主型表面态：能级空着时为电中性，施放电子后呈负电性。第21页，共58页。表面态在半导体表面禁带中形成一定的分布电子恰好填满q0以下的所有表面态-表面呈电中性q0以下的表面态空着时-表面带正电-施主型q0以上的表面态被电子填充时-表面带负电-受主型-+第22页

5、，共58页。第23页，共58页。表面态密度很大时表面积累很多负电荷能带向上弯曲表面处EF很接近q0第24页，共58页。（1）流入金属的电子并不是来自于半导体体内， 而是由受主表面态提供 (2) 半导体的表面态可屏蔽金属接触的作用， 使半导体内的势垒高度和金属的功函数几乎无关。 （3）接触电势差全部降落在两个表面之间。第25页，共58页。实际上：由于表面态密度的不同，接触电势差部分降落在半导体表面以内，金属功函数会对表面势垒产生影响，但影响不大。因此即使当WmWs时，也可能形成n型阻挡层。第26页，共58页。整流理论-阻挡层平衡态阻挡层无净电流2、金属半导体接触整流理论在金属和半导体之间加上外加

6、电压？从半导体进入金属的电子流从金属进入半导体的电子流第27页，共58页。以n型半导体为例：阻挡层为高阻区域外加电压主要降落在阻挡层平衡态时：表面势VS0则势垒高度降低为qVD，=-q(Vs+V)外加一个负电压Vxc, 则电子完全不能穿过势垒；若 xdxc, 则势垒对于电子完全透明，即势垒降低了.金属一边的有效势垒高度为 -qV(x), 若xcxd第45页，共58页。隧道效应引起的势垒降低为反向电压较高时，势垒的降低才明显第46页，共58页。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。肖特基势垒二极管与pn结二极管的区别：（1）多数载流子器件和少数载流子器件（2

7、）无电荷存贮效应和有电荷存贮效应（3）高频特性好。（4）正向导通电压小。第47页，共58页。 P 电子扩散区 结区 空穴扩散区 N第48页，共58页。 3 少数载流子的注入与欧姆接触少数载流子的注入n型阻挡层，体内电子浓度为n0。金半接触截面电子浓度： 该浓度差 引起电子由内部向接触面扩散。平衡时扩散和势垒电场引起的漂移抵消。正向偏压下，扩散占据优势，电子向表面流动，形成正向电流。多子的情况第49页，共58页。空穴的浓度在表面最大 n型半导体的势垒和阻挡层都是对电子而言，由于空穴所带电荷与电子电荷符号相反，电子的阻挡层就是空穴的积累层。少子的情况 该浓度差 引起空穴由表面向体内扩散。平衡时扩散

8、和势垒电场引起的漂移抵消。正向偏压下，扩散占据优势，空穴向体内流动，也形成正向电流。第50页，共58页。 空穴电流的大小，首先决定于阻挡层中的空穴浓度。只要势垒足够高，靠近接触面的空穴浓度就可以很高。由以上讨论可知：部分正向电流是由少数载流子空穴荷载的。Ec(0)Ev(0)EcEFEvn型反型层中的载流子浓度第51页，共58页。如果在接触面附近，费米能级和价带顶的距离则 p(0) 值应和 n0 值相近，n(0)也近似等于p0Ec(0)Ev(0)EcEFEvn型反型层中的载流子浓度第52页，共58页。势垒中空穴和电子所处的情况几乎完全相同，只是空穴的势垒顶在阻挡层的内边界。 在加正向电压时，空穴

9、将流向半导体，但它们并不能立即复合，必然要在阻挡层内界形成一定的积累，然后再依靠扩散运动继续进入半导体内部。(EF)mEc积累扩散少数载流子的积累(EF)s第53页，共58页。上图说明这种积累的效果显然是阻碍空穴的流动。因此，空穴对电流贡献的大小还决定于空穴进入半导体内扩散的效率。在金属和n型半导体的整流接触上加正电压时，就有空穴从金属流向半导体。这种现象称为少数载流子的注入。 空穴从金属注入半导体，实质上是半导体价带顶部附近的电子流向金属，填充金属中(EF)m以下的空能级，而在价带顶附近产生空穴。第54页，共58页。欧姆接触定义：不产生明显的附加阻抗，不会使半导体内部载流子浓度发生显著改变。技术路线设计：反阻挡层？隧道效应？ 半导体在重掺杂时，和金属的接触可以形成接近理想的欧姆接触。在半导体上制作一层重掺杂区后再与金属接触。第55页，共58页。第56页，共58页。思考题：施主浓度ND=1017cm-3的n型Si，室温下功函数是多少？若不考虑表面态的影响，它分别和Al、Au和Mo接触时形成阻挡层还是反阻挡层？Si的电子亲和能取4.05