第七章-金屬和半導(dǎo)體的接觸

1、第 七 章,金 屬 和 半 導(dǎo) 體 的 接 觸 Metal-Semiconductor Contact,1、金屬與半導(dǎo)體形成的肖持基接觸和歐姆接觸，阻擋層與反阻擋層的形成； 2、肖特基接觸的電流電壓特性擴(kuò)散理論和熱電子發(fā)射理論，即肖特基勢壘的定量特性；（詳細(xì)闡述） 3、歐姆接觸的特性。,主要內(nèi)容（三大點(diǎn)，約10課時(shí)）：,2、MESFET( metal-semiconductor field-effect transistor) 具有與MOSFET相似的電流電壓 特性，但在器件的柵(gate)上電極部分利用金屬 半導(dǎo)體的整流接觸取代了MOSFET的MOS結(jié) 構(gòu)；用歐姆接觸取代MOSFET的p-n

2、結(jié)。,7.1 金屬-半導(dǎo)體接觸和能級(jí)圖,一、概述：,1、在微電子和光電子器件中，半導(dǎo)體材料和金屬、半導(dǎo)體以及絕緣體的各種接觸是普遍存在的，如MOS器件、肖特基二極管、氣體傳感器等。薄膜技術(shù)及納米技術(shù)的發(fā)展，使得界面接觸顯得更加重要。,4、兩個(gè)要點(diǎn)： 功函數(shù)和禁帶寬度的不同金屬/半導(dǎo)體接觸能帶圖的變化； 肖特基接觸的整流特性即電流電壓I-V特性。,二、金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)Wm 、Ws,1、金屬的功函數(shù)Wm,表示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由金屬內(nèi)部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。,金屬銫Cs的功函數(shù)最低1.93eV，Pt最高為5.36eV,2、半導(dǎo)體的功函數(shù)Ws,稱為電子的親和能，它表

3、示要使半導(dǎo)體導(dǎo)帶 底的電子逸出體外所需要的最小能量。,Note: 和金屬不同的是，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)隨雜質(zhì)濃度變化，所以，Ws也和雜質(zhì)濃度有關(guān)。,3、金屬/半導(dǎo)體接觸,三、金屬與半導(dǎo)體的接觸及接觸電勢差,1. 阻擋層接觸,金屬的傳導(dǎo)電子的濃度 很高，10221023cm-3 半導(dǎo)體載流子的濃度比 較低，10101019cm-3,金屬半導(dǎo)體接觸前后能帶圖的變化：,在接觸開始時(shí)，金屬和半導(dǎo)體的間距大于原子的 間距，在兩類材料的表面形成電勢差Vms。,緊密接觸后，電荷的流動(dòng)使得在半導(dǎo)體表面相當(dāng) 厚的一層形成正的空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)形成 電場，其電場在界面處造成能帶彎曲，使得半導(dǎo) 體表面和內(nèi)部存在電勢

4、差，即表面勢Vs。接觸電 勢差分降在空間電荷區(qū)和金屬與半導(dǎo)體表面之間 。但當(dāng)忽略接觸間隙時(shí)，電勢主要降在空間電荷 區(qū)。,現(xiàn)在考慮忽略間隙中的電勢差時(shí)的極限情形:,半導(dǎo)體體內(nèi)電場為零，在空間電荷區(qū)電場方向由內(nèi)向外，半導(dǎo)體表面勢Vs0,在勢壘區(qū)，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度比體內(nèi)小得多，是一個(gè)高阻區(qū)域，稱為阻擋層。界面處的勢壘通常稱為肖特基勢壘。,金屬與P型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若WmWs，即金屬的費(fèi)米能級(jí)比半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)高，半導(dǎo)體的多子空穴流向金屬，使得金屬表面帶正電，半導(dǎo)體表面帶負(fù)電，半導(dǎo)體表面能帶向下彎曲，形成空穴的表面勢壘。,（2）金屬p型半導(dǎo)體接觸的阻擋層,在半導(dǎo)體的勢壘區(qū)，空間電荷主

5、要由負(fù)的電離受 主形成，其多子空穴濃度比體內(nèi)小得多，也是一 個(gè)高阻區(qū)域，形成空穴阻擋層。,金屬和p型半導(dǎo)體WmWs 空穴阻擋層,對(duì)空穴講，向下是能量增加，在P型半導(dǎo)體多子 是空穴，半導(dǎo)體多子流向金屬后，留下帶負(fù)電的 電離受主雜質(zhì)，即空間電荷區(qū)，能帶向下彎曲。,半導(dǎo)體一邊的勢壘高度是：qVD=Ws-Wm,（3）金屬半導(dǎo)體接觸的阻擋層,所謂阻擋層，在半導(dǎo)體的勢壘區(qū)，形成的空間電 荷區(qū)，它主要由正的電離施主雜質(zhì)或負(fù)的電離受 主形成，其多子電子或空穴濃度比體內(nèi)小得多， 是一個(gè)高阻區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域能帶向上或向下彎 曲形成電子或空穴的阻擋。,2. 反阻擋層接觸,金屬與N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若Wm0，能帶向 下

6、彎曲。這里電子濃度比體內(nèi)大得多，因而是一 個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，稱之為反阻擋層，即電子反阻 擋層。,（1）金屬與N型半導(dǎo)體接觸,金屬 /n型半導(dǎo)體接觸前后電子反阻擋層形成能帶圖的變化：,在半導(dǎo)體表面，能帶向下彎曲，相當(dāng)有個(gè)電子的 勢阱, 多子電子的濃度比體內(nèi)大得多，是一個(gè)高通 區(qū)，即電子的反阻擋層高導(dǎo)通區(qū)。（很?。。?（2）金屬與P型半導(dǎo)體接觸,金屬與P型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若WmWs，空穴將從金屬流向半導(dǎo)體表面，在半導(dǎo)體表面形成正的空間電荷區(qū)，電場方向由體內(nèi)指向表面，Vs0，能帶向上彎曲，這里空穴濃度比體內(nèi)大得多，因而是一個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，稱之為反阻擋層，即空穴反阻擋層。,上述金半接觸模型即為Schott

7、ky 模型：,Note:反阻擋層是很薄的高電導(dǎo)層，對(duì)半導(dǎo)體和 金屬的接觸電阻的影響是很小的，它在平常的實(shí) 驗(yàn)中觀測不到。,理想晶體自由表面達(dá)姆表面能級(jí)(1932年) 晶體表面缺陷或吸附原子附加表面能級(jí),四、表面態(tài)對(duì)接觸勢壘的影響,1、對(duì)于同一種半導(dǎo)體材料，親和能將保持不 變，如用不同的金屬相連形成接觸，根據(jù)公式 ：,金的功函數(shù)為4.8eV, 鋁的功函數(shù)是4.25eV, 相差 0.55eV。但在Au、Al和n-GaAs接觸時(shí)，勢壘高 度相差0.15eV。 顯然0.55eV 0.15eV！,Why?,實(shí)驗(yàn)表明，金半接觸時(shí)的勢壘高度受金屬功函數(shù) 的影響很小。這是由于半導(dǎo)體表面存在表面態(tài)造 成的。,通

8、過實(shí)驗(yàn)分析，不同的金屬功函數(shù)對(duì)半導(dǎo)體勢壘高度影響不大，而半導(dǎo)體的表面態(tài)對(duì)接觸勢壘的作用很大，其影響在實(shí)際工作中不能忽視。, 電子剛好填滿EFS0 以下的所有表面態(tài)時(shí)，則 表面呈電中性,表面態(tài)局域電子的特性。 當(dāng)EFS0 以下的表面態(tài)空著時(shí)，即沒有被電子占據(jù) 時(shí)，表面呈正電，為施主型； EFS0上面表面態(tài)被電子占據(jù)時(shí)，半導(dǎo)體表面為 負(fù)電，是受主型。,一般表面態(tài)在表面禁帶中有一定的分布，表面處存在距離價(jià)帶頂為EFSq0（禁帶寬度的三分之一）的能級(jí)，根據(jù)表面態(tài)相對(duì)于EFS的分布，對(duì)表面態(tài)的電學(xué)行為有兩種情況：,設(shè)一個(gè)n型半導(dǎo)體的表面存在表面態(tài)。半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)EF 高于表面能級(jí)Efs，如果Efs以上

9、存在受主表面態(tài)，則會(huì)導(dǎo)致如下效應(yīng)：（接觸前后）,半導(dǎo)體體內(nèi)與表面電子態(tài)交換電子，在EF和Efs之 間的能級(jí)基本被電子填滿，表面帶負(fù)電，所以半 導(dǎo)體表面附近會(huì)出現(xiàn)正電荷，形成正的空間電荷 區(qū)，形成電子的勢壘，即不和金屬接觸也形成電 子勢壘。,如果表面態(tài)密度很大時(shí)，只要EF比EFs高一點(diǎn)，就 會(huì)在表面積累很多的負(fù)電荷，能帶向上彎曲，使 得兩者很接近。這時(shí)能帶彎曲量 qVD=EF0-EFs0 ， 出現(xiàn)所謂高表面密度釘扎。,1、金屬半導(dǎo)體接觸前：,不存在表面態(tài)時(shí)，Ws=+En， 存在表面態(tài)時(shí)，功函數(shù)要有相應(yīng)的改變，加上qVD=EF0-EFs0的效應(yīng)。,2、金屬與半導(dǎo)體接觸后,接觸后，表面態(tài)提供電子 流

10、向金屬，考慮到表面態(tài) 的作用，半導(dǎo)體空間電荷 區(qū)的正電荷等于表面受主 態(tài)留下的負(fù)電荷和金屬表 面的負(fù)電荷的和。,所以，半導(dǎo)體表面態(tài)密度很高時(shí)，它可以屏蔽金屬接觸的影響，使得半導(dǎo)體內(nèi)部的勢壘高度和金屬的功函數(shù)無關(guān)，基本上由半導(dǎo)體表面的性質(zhì)決定，接觸勢差全部降落在兩個(gè)表面之間，實(shí)際上，影響的程度由表面態(tài)密度不同而決定。,在表面態(tài)密度大于1013cm-2，則表面處的費(fèi)米能 級(jí)位于禁帶的1/3處（相對(duì)于價(jià)帶頂），與表面態(tài) 的密度無關(guān)，這個(gè)位置稱為巴丁極限。,下面討論的內(nèi)容，采用理想的模型，不考慮表 面態(tài)的影響,.2 金-半接觸整流理論,1、阻擋層的整流特性 外加電壓對(duì)阻擋層 （高阻層）的作用,金屬與N

11、型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若WmWs，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度比體內(nèi)小得多，是一個(gè)高阻區(qū)域，稱為電子阻擋層。,所以，在沒有外加電壓時(shí)，半導(dǎo)體進(jìn)入金屬的電子流和從金屬進(jìn)入半導(dǎo)體的電子流相等，方向相反，構(gòu)成動(dòng)態(tài)平衡。,在緊密接觸的金半之間加上電壓時(shí)，電流的行為 會(huì)發(fā)生不同的響應(yīng)。勢壘高度為：,由于阻擋層是個(gè)高電阻區(qū)域，外加電壓主要降落 在阻擋層上。同時(shí)，外加電壓后，半導(dǎo)體和金屬 不再處于相互平衡的狀態(tài)，兩者沒有統(tǒng)一的費(fèi)米 能級(jí)，兩者的費(fèi)米能級(jí)差就等于外加電壓所引入 的靜電勢能差。,加上正向電壓在n型阻擋層(金屬一邊為正)時(shí)：,對(duì)于n型阻擋層，即金屬和n型半導(dǎo)體在WmWs 時(shí)，表面勢為負(fù)的值，當(dāng)在

12、金屬上加正向電壓即V大于0，使得電子的勢壘高度減低，多子電子從半導(dǎo)體流向金屬的數(shù)目變多。,進(jìn)一步增加正向電壓：,勢壘高度進(jìn)一步減低，勢壘寬度減薄，多子導(dǎo)電變強(qiáng)。,對(duì)于n型阻擋層，即金屬和n型半導(dǎo)體在Wm Ws時(shí)，表面勢為負(fù)的值，當(dāng)在金屬上加正向電壓即V大于0，使得電子的勢壘高度減低，多子電子從半導(dǎo)體流向金屬的數(shù)目變多，并隨電壓增加而變得越大，即從金屬流向半導(dǎo)體的正向電流變大。,結(jié)論：,加上反向電壓（金屬一邊為負(fù)）時(shí)：,當(dāng)加反向電壓即V 0時(shí)， 半導(dǎo)體一邊的電子的勢壘 高度增高了，所以半導(dǎo)體 到金屬的電子數(shù)目減少， 相反金屬到半導(dǎo)體的電子 流占優(yōu)勢，形成由半導(dǎo)體 到金屬的反向電流。,如進(jìn)一步增加

13、反向電壓：,勢壘高度進(jìn)一步增高，多子電子導(dǎo)電變?nèi)酢?正向電流都是多子空穴從半導(dǎo)體流向金屬,但和正向電流行為不一樣的是：,金屬一邊的電子所要越過的勢壘，不隨外加電壓而變化。所以，金屬到半導(dǎo)體的電子流是恒定的。當(dāng)反向電壓提高時(shí)，半導(dǎo)體到金屬的電子流可以忽略不計(jì)，反向電流達(dá)到飽和值。,對(duì)p型阻擋層：能帶向下彎，表面勢(Vs)0大于零V0時(shí)，能帶下彎得更厲害，多子空穴從半導(dǎo)體流向金屬，形成正向電流； 金屬加正電壓V0時(shí)，能帶下彎曲變得小了，形成金屬到半導(dǎo)體的反向電流。,正向和反向的電流特點(diǎn)就是阻擋層的 整流作用,勢壘區(qū)中存在電場，有電勢的變化，導(dǎo)致載流子 濃度的不均勻。計(jì)算通過勢壘的電流時(shí)，因?yàn)椴?用

14、厚阻擋層的擴(kuò)散理論，故必須同時(shí)考慮漂移和 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。所以，勢壘區(qū)的電勢分布情況是求解 V-I關(guān)系的關(guān)鍵。,2、整流理論定量V-I特性的表達(dá)式,對(duì)于n型阻擋層，當(dāng)勢壘寬度比電子的平均自由程 大得多，即Xd ln時(shí)，電子通過勢壘區(qū)將發(fā)生多 次碰撞厚阻擋層。擴(kuò)散理論適用于厚阻擋層。,（1）擴(kuò)散理論 Diffusion Theory,雜質(zhì)全部電離，空間 電荷完全由電離雜質(zhì) 的電荷形成。,Xd是耗盡層的寬度，ND是施主摻雜濃度, 均勻摻雜使得耗盡層的電荷也是均勻的。, 求電勢在半導(dǎo)體中的分布：,當(dāng)加上外加電壓V在金屬上:,當(dāng)表面勢外加電壓V和表面勢同號(hào)都為負(fù)值時(shí)，勢壘高度提高、寬度變大。這種依賴于外加電

15、壓的勢壘稱Schottky勢壘。, 求通過勢壘的電流密度：,利用上頁的邊界條件可得：,氧化亞銅，遷移率較小，即平均自由程較短，擴(kuò)散理論是適用的。,但JSD隨電壓而緩慢變化，但并不趨于定值，即沒有飽和,（2）熱電子發(fā)射理論,以非簡并半導(dǎo)體的n型阻擋層為例，假設(shè)qVDk0T，通過勢壘交換的電子很少，體內(nèi)的電子濃度視為常數(shù)，與電流無關(guān)。,當(dāng)n型阻擋層很薄時(shí)，即電子的平均自由程大于 勢壘寬度。擴(kuò)散理論不再適合了。電子通過勢 壘區(qū)的碰撞可以忽略。,規(guī)定電流的正方向是從金屬到半導(dǎo)體,電子流密度方向和電流方向相反, Jsm時(shí)（正向電流）,電子的狀態(tài)密度和分布函數(shù),考慮非簡并半導(dǎo)體的情況,分布函數(shù)為 Bolt

16、zmann分布：, Jms時(shí)（反向電流）,ns是金屬一邊的電子勢壘, 總的電流密度J, 討論：,Ge、Si、GaAs都有較高的載流子遷移率，即較 大的平均自由程，在室溫時(shí)，其肖特基勢壘中的 電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)，主要是多數(shù)載流子的熱電子發(fā)射,定義：金/半接觸的非整流接觸，即不產(chǎn)生明顯的附加電阻，不會(huì)使半導(dǎo)體體內(nèi)的平衡載流子濃度發(fā)生明顯的改變。,應(yīng)用：半導(dǎo)體器件中利用電極進(jìn)行電流的輸入和輸出 就要求金屬和半導(dǎo)體接觸形成良好的歐姆接觸。在超 高頻和大功率的器件中，歐姆接觸時(shí)設(shè)計(jì)和制造的關(guān) 鍵。,實(shí)現(xiàn)：不考慮表面態(tài)的影響，金半接觸形成反阻擋層， 就可以實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。實(shí)際中，由于有很高的表面態(tài)， 主要用隧道效

17、應(yīng)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制造的歐姆接觸。,7.3歐姆接觸,半導(dǎo)體重?fù)诫s導(dǎo)致明顯的隧穿電流，而實(shí)現(xiàn) 歐姆接觸：,半導(dǎo)體摻雜濃度很高時(shí)，金半接觸的勢壘區(qū)的寬度變 得很薄，電子會(huì)通過隧道效應(yīng)穿過勢壘產(chǎn)生相當(dāng)大的 隧穿電流，甚至?xí)^熱電子發(fā)射電流成為電流的主 要部分。當(dāng)隧穿電流占主要成份時(shí)，接觸電阻會(huì)很小， 可以用作歐姆接觸。,常用的方法：在n型或p型半導(dǎo)體上制作一層重?fù)诫s 區(qū)再與金屬接觸，形成金屬n+n 或金屬p+p 結(jié)構(gòu)。 使得金屬的選擇很多。電子束和熱蒸發(fā)、濺射、電鍍。,1、功函數(shù)：功函數(shù)的定義是E0與EF能量之差， 用W表示。即,半導(dǎo)體的功函數(shù)可以寫成,本 章 小 結(jié),2、接觸電勢差：,金屬半導(dǎo)體接觸，

18、由于Wm和Ws不同，會(huì)產(chǎn)生接 觸電勢差Vms。同時(shí)半導(dǎo)體能帶發(fā)生彎曲，使其表 面和內(nèi)部存在電勢差V，即表面勢V，因而：,緊密接觸時(shí)：,典型金屬半導(dǎo)體接觸有兩類：一類是整流接觸， 形成阻擋層，即肖特基接觸；一類是非整流接 觸，形成反阻擋層，即歐姆接觸。,形成n型和p型阻擋層的條件,3、金屬半導(dǎo)體接觸整流特性：,在金屬半導(dǎo)體接觸中，金屬一側(cè)勢壘高度不隨外 加電壓而變，半導(dǎo)體一側(cè)勢壘高度與外加電壓相 關(guān)。因此，當(dāng)外加電壓使半導(dǎo)體一側(cè)勢壘高度降 低時(shí)，形成從半導(dǎo)體流向金屬的凈離子流密度， 且隨外加電壓而變化； 反之，則是從金屬到半導(dǎo)體的離子流密度，該電 流較小。且與外加電壓幾乎無關(guān)。這就是金屬半 導(dǎo)體接觸整流特性。,擴(kuò)散理論、熱電子發(fā)射理論計(jì)算肖特基接觸的 電流-電壓特性，前者適用于勢壘區(qū)寬度比電子 的平均自