金属和半导体的接触课件

第7章金属和半导体的接触7.1金属半导体接触及其能级图7.2金属半导体接触整流理论7.3少数载流子的注入和欧姆接触7.1金属半导体接触及其能级图1一、功函数和电子亲合能真空能级E0：真空中静止电子的能量电子亲和能χ：真空能级与导带底之差（导带底电子逸出体外的最小能量）半导体中的功函数和电子亲和能金属中的功函数功函数：真空能级与费米能级之差1、标志电子在材料中束缚的强弱2、金属功函数随原子序数周期变化；铯：1.93eV,铂：5.36eV3、半导体功函数与杂质浓度有关二、接触电势差整流欧姆欧姆整流

阻挡层：高阻，整流反阻挡层：低阻，欧姆7.1金属半导体接触及其能级图2金属和n型半导体接触能带图表面势：半导体表面和体内的电势差接触电势差（Wm>Ws）三、表面态对接触势垒的影响7.1金属半导体接触及其能级图3肖特基势1、势垒高度与金属功函数基本无关——半导体表面态密度高，屏蔽金属接触的影响，使势垒高度基本只由半导体表面决定2、即使Wm<Ws，阻挡层依然存在

表面态对接触势垒的影响表面态能级

电子填充水平=Eg/3中性电子填充水平<Eg/3正电施主型电子填充水平>Eg/3负电受主型表面态密度大—“能态海洋”中性态EF钉扎EF钉扎效应En能态海洋四、势垒区的电场、电势分布与势垒宽度（厚度）金属—n型半导体

泊松方程

7.1金属半导体接触及其能级图4空间电荷区类似p+n结五、肖特基接触的势垒电容7.1金属半导体接触及其能级图5势垒厚度依赖于外加电压的势垒称为肖特基势垒练习-课后习题3第七章金属和半导体的接触

施主浓度ND=1017cm-3的n型硅，室温下功函数是多少？若不考虑表面态的影响，它分别同Al、Au、Mo接触时，是形成阻挡层还是反阻挡层？硅的电子亲和能取4.05eV。设WAl=4.18eV,WAu=5.20eV,WMo=4.21eV,室温下硅的NC=2.8×1019cm-3。解：设室温下杂质全部电离，则故即故n-Si的功函数为因WAl=4.18eV<Ws，故二者接触形成反阻挡层又WAu=5.20eV,WMo=4.21eV，显然WAu>WMo>Ws故Au、Mo与n-Si接触均形成阻挡层作业-课后习题4第七章金属和半导体的接触

受主浓度NA=1017cm-3的p型锗，室温下功函数是多少？若不考虑表面态的影响，它分别同Al、Au、Pt接触时，是形成阻挡层还是反阻挡层？硅的电子亲和能取4.13eV。设WAl=4.18eV,WAu=5.20eV,WPt=5.43eV,室温下锗的Eg=0.67eV,NA=6×1018cm-3。7.2金属半导体接触整流理论1——金半接触整流理论即金属和半导体紧密接触时的阻挡层理论。

考虑电流平衡态阻挡层——无净电荷流过势垒区V>0,半导体一侧势垒降——电流：金属→半导体（电子：半导体→金属）且随V增而电流增V<0,半导体一侧势垒增——电流：半导体→金属（电子：金属→半导体）但随V增而电流变化小←金属一边势垒不随外加电压变化——即阻挡层具有类似pn结的整流作用外加偏压对n型阻挡层的能带图Vf=0Vf>0Vr<0一、扩散理论

同时考虑势垒区扩散和漂移电流——适用于势垒宽度>>电子平均自由程电子通过势垒区要发生多次碰撞7.2金属半导体接触整流理论27.2金属半导体接触整流理论3主要取决于x=0附近的电势值<<17.2金属半导体接触整流理论4平衡态近似:x=0处电子和金属近似处于平衡态；n(0)近似为平衡时电子浓度1、JSD随电压变化——反向电流密度不饱和2、适用于势垒宽度>>电子平均自由程——小迁移率半导体，如氧化亚铜7.2金属半导体接触整流理论5随电压而变化，并不饱和二、热电子发射理论7.2金属半导体接触整流理论6——适用于势垒宽度<<电子平均自由程电子在势垒区碰撞忽略，势垒高度起决定作用电流的计算归结为计算超越势垒载流子数目)即为速度空间单位体积中的电子数则单位体积中E~(E+dE)范围内的电子数为7.2金属半导体接触整流理论7实空间单位体积，速度空间电子的分布实空间单位面积，单位时间，速度vx(>0)的电子都可以到达金半界面，其数目为可以越过势垒电子的能量要求电流密度7.2金属半导体接触整流理论8－半导体到金属的电子流依赖于电压有效理查逊常数7.2金属半导体接触整流理论9－金属到半导体的电子流基本不依赖于电压

总电流密度

Jm→s：常数热平衡条件下1、JST与外加电压无关，但强烈依赖于温度2、Ge、Si、GaAs有较高迁移率，较大平均自由程,其电流输运机构是多数载流子的热电发射7.2金属半导体接触整流理论10三、镜像力和隧道效应的影响

镜像力影响电子总电势能镜像力镜像势能无镜像力电势镜像力所引起势垒降低量随反向偏压的增加而增加——反向漏电流不饱和——金属外面的电子在金属表面感应出正电荷；电子所受到感应电荷的作用，相当于金属体内与电子等距离位置等量正电荷的作用7.2金属半导体接触整流理论11

隧道效应影响临界厚度xc隧道效应所引起势垒降低量随反向偏压的增加而增加

——反向漏电流随反向偏压增加考虑隧道效应，电子穿透的概率与能量和势垒厚度(xd)有关。电子能量一定，xd<xc，电子直接通过——相当于势垒降低了四、肖特基势垒二极管(SBD)——利用金-半整流接触特性制成的二极管7.2金属半导体接触整流理论12

与pn结二极管异同相同点：都具有单向导电性——SBD主要应用于高速集成电路、微波技术等领域不同点：作业-课后习题8第七章金属和半导体的接触

施主浓度ND=1016cm-3的n型Ge材料，在它的（111）面上与金属接触制成肖特基二级管。已知VD=0.4V,求加上0.3V电压时的正向电流密度。设εr=16，

ε0=8.85×10-14F/cm。室温下硅的NC=4×1018cm-3,有效理查逊常数A*=120(mn*/m0)=120×1.11A/cm2.K2。7.3少数载流子的注入和欧姆接触1一、少数载流子的注入V>0(正偏)

空穴扩散主导V=0(平衡态)空穴扩散与电场抵消少子注入比——金属和n型半导体的整流接触加上正向电压时，空穴从金属流向半导体的现象（实际为半导体价带电子流向金属）Au/n-Si接触的平面二极管γ<0.1%小注入≈5%大注入7.3少数载流子的注入和欧姆接触2二、欧姆接触——非整流接触特点

1、不产生明显的附加阻抗；

2、不会使半导体内部平衡载流子浓度发生显著改变；

金-半欧姆接触的实现？1、不考虑表面态影响时，