第七章金屬和半導(dǎo)體接觸

1、施洪龍 電話：68930256 半導(dǎo)體物理 地址：中央民族大學(xué)1#東配樓 目錄 第一章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) 第二章 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷 第三章 載流子的統(tǒng)計分布 第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 第五章 非平衡載流子 第六章 pn結(jié) 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 第八章 半導(dǎo)體異質(zhì)節(jié) 第九章 半導(dǎo)體中的光電現(xiàn)象 第十章 半導(dǎo)體中的熱電形狀 第十一章 半導(dǎo)體中的磁-光效應(yīng) 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 在半導(dǎo)體上沉積一層金屬，形成緊密接觸，稱為金屬-半導(dǎo)體接觸。 半導(dǎo)體的主要特性就是單向?qū)щ娦裕?其伏安特性隨著摻雜的改變而改變； 低摻雜 重?fù)诫s 重?fù)诫s下，無論是正向還是反向電壓， 電流都會隨電壓的增大而迅速

2、增大， 等效于一個很小的電阻； 具有良好單向?qū)щ娦缘慕饘?半導(dǎo)體接觸 稱為肖特基勢二極管(SBD)； 具有良好導(dǎo)電性的金屬-半導(dǎo)體接觸稱為 歐姆接觸。 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 肖特基二極管與pn結(jié)相似，但又有不同，在微波技術(shù)，高速集成電 路上有著廣泛的應(yīng)用； 半導(dǎo)體器件都需要金屬電極的輸入輸出，要求金屬-半導(dǎo)體有良好 的歐姆接觸，在超高頻、大功率電器中歐姆接觸極為關(guān)鍵。 金屬內(nèi)部有大量導(dǎo)電的電子，基本填 充了導(dǎo)帶上的所有能級，再高的能級 基本是空著的； 金屬的特征 費米能級就是電子填充與否的標(biāo)志； 這些電子一直都在不停的劇烈運動， 但能量不夠高，還不能脫離金屬；一 運動到表面就被散射回體內(nèi)

3、。 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 金屬的特征 電子只有被熱激發(fā)到更高的空能級上，才可能逃逸出金屬，稱為熱 電子發(fā)射。 陰極管是種典型的熱電子發(fā)射。加熱陰極，使大量電子激發(fā)到空能 級上，進(jìn)而逃出金屬。 電子逃出金屬所需的最小能量就是費米面到真空能級的能量，稱為 功函數(shù)。 真空能級：真空中電子的最低能量(靜止時) 熱電子發(fā)射電流正比于 功函數(shù)越小，金屬的費密能級越高 功函數(shù)表征電子被金屬束縛的強弱。 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 金屬的功函數(shù)在幾個電子伏范圍內(nèi)：1.9-5.4 eV 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 半導(dǎo)體的費米能級受雜質(zhì)濃度的影響； 電子親和能：導(dǎo)帶底的電子逃逸出體外所需的能量； 半導(dǎo)體的

4、功函數(shù)可寫為： 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 如果用導(dǎo)線將金屬-半導(dǎo)體連起來，半導(dǎo)體中 的電子流入金屬中； 設(shè)想有一塊金屬和n型半導(dǎo)體，它們有共同的真空能級，假設(shè)金屬 的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)。 M S 半導(dǎo)體的費米面高于金屬的費米能級； 使金屬表面帶負(fù)電，半導(dǎo)體表面帶正電； 當(dāng)兩者具有統(tǒng)一費米能級時，達(dá)到動態(tài)平衡； 電勢能的改變功函數(shù)的差異 接觸電勢差為： 接觸而產(chǎn)生的電勢差！ 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 隨著接觸距離變短，靠近半導(dǎo)體一側(cè)的金屬表面負(fù)電荷密度增大， 靠近金屬一側(cè)的半導(dǎo)體表面正電荷密度增大； 由于半導(dǎo)體內(nèi)電離中心移動的限制，正電荷分布在半導(dǎo)體表面很厚

5、 的表面層內(nèi)，稱為空間電荷區(qū)。 金屬一側(cè)空間電荷區(qū)很窄，因為金屬內(nèi)電子濃度很高。 在空間電荷區(qū)形成的電場是阻止體內(nèi) 的電子向半導(dǎo)體界面的進(jìn)一步流動， 形成勢壘，所以能帶上翹； 勢壘高度為體內(nèi)電子流到界面上勢能 的增加值； 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 金屬一邊的勢壘高度為： 金屬與半導(dǎo)體接觸時， WmWs，半導(dǎo)體表面形成正的空間電荷區(qū)，其電場方向由體內(nèi)指 向界面，Vs0，使半導(dǎo)體表面電子的能量高于體內(nèi)，能帶上翹形 成表面勢壘。在表面是勢壘區(qū)電子濃度很低，是高阻區(qū)，常稱阻擋 層； Wm0，能帶下翹。在該區(qū)域電子濃度很高，稱為反阻擋 層。 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 反阻擋層是很薄的高電導(dǎo)層，它對半

6、導(dǎo)體-金屬接觸電阻的影響很 小，所以反阻擋層在實驗中很難觀察到。 金屬-p型半導(dǎo)體接觸 WmWs，能帶上翹形成p型反阻擋層； WmWs，能帶下翹造成空穴勢壘，形成p型阻擋層。 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 實驗表明，不同的金屬雖然功函數(shù)相差很大，但與半導(dǎo)體接觸后所 形成的勢壘高度相差很小，這是與半導(dǎo)體的表面態(tài)相關(guān)。 在半導(dǎo)體表面處的禁帶中存在著表面態(tài)，對應(yīng)的能級稱為表面能級。 受主型：含有空穴，未電離時呈電中性，電離后帶負(fù)電。 表面態(tài) 施主型：被電子占據(jù)，電離后帶正電； 通常，表面態(tài)位于禁帶寬度的1/3處； 如果 以上存在受主表面態(tài)，則 到EF的能級幾乎被電子填滿； 在半導(dǎo)體表面出現(xiàn)正的空間電荷

7、區(qū)，所形 成勢壘高度恰好與表面態(tài)上的負(fù)電荷與勢 壘區(qū)正電荷數(shù)相等。 如果表面態(tài)密度很高，表面態(tài)上就會積累 很多的負(fù)電荷，此時勢壘高度稱為高表面 態(tài)密度釘扎。 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 當(dāng)半導(dǎo)體表面態(tài)密度很高時，能屏蔽金屬接觸的影響，使半導(dǎo)體內(nèi) 的勢壘高度和金屬的功函數(shù)幾乎無關(guān)； 接觸電勢差全部降落在兩個表面之間； 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 處于平衡態(tài)的阻擋層中是沒有凈電流流過的：從半導(dǎo)體流入金屬的 電子和從金屬流入半導(dǎo)體的電子數(shù)相等，方向相反。 外加電壓V，壓降全落在阻擋層上，電子勢壘高度為： 半導(dǎo)體-金屬間的費密能級發(fā)生劈裂，能級差等于外加電壓所引起 的靜電勢能差。 加正向電壓，半導(dǎo)體一

8、側(cè)勢壘降低為 ，出現(xiàn)從半導(dǎo) 體到金屬的凈電流； 外加正向電壓越高，勢壘下降越多，正向電流越大。 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 外加反向電壓，勢壘增高到 ，從半導(dǎo)體到金屬的電 子數(shù)減小，出現(xiàn)由金屬到半導(dǎo)體的反向電流； 金屬中的電子需要越過的 勢壘才能進(jìn)入半導(dǎo)體，故反向電流較 小。 由于金屬一側(cè)的勢壘不隨外加電壓改變，所以從金屬到半導(dǎo)體的電 子流是恒定的，即具有類似于pn結(jié)的整流作用。 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 n型阻擋層很薄時，起決定作用的是勢壘高度。熱電子發(fā)射就是熱 激發(fā)下體內(nèi)電子越過表面勢壘的載流子。 單位能量球殼能的電子數(shù)為： 電子的速度為v， 在單位體積單位速度范圍內(nèi)的電子數(shù)！ 第七章

9、金屬和半導(dǎo)體的接觸 麥克斯韋速度分布 這些電子需要越過勢壘才能進(jìn)入金屬： 從半導(dǎo)體到金屬的電流為： 有效Richadson常數(shù) 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 有效Richadson常數(shù) 電子從金屬到半導(dǎo)體的勢壘不隨外加電壓改變： 總電流密度為 與外加電壓無關(guān)，與溫度相關(guān)(熱發(fā)射) 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 金屬-半導(dǎo)體接觸具有整流特性的二極管稱為肖特基勢壘二極管。 pn結(jié)正向?qū)〞r，由p區(qū)注入n區(qū)的空穴和由n區(qū)注入p區(qū)的電子都 是少數(shù)載流子。它們現(xiàn)在結(jié)區(qū)邊界上有一定積累，再向體內(nèi)擴散形 成電流。 這種非平衡載流子的積累又稱電荷存儲效應(yīng)，會嚴(yán)重影響到pn結(jié)的 高頻性能。 肖特基勢壘二極管的正向電

10、流是由多數(shù)載流子流入金屬形成； 正向?qū)〞r，從半導(dǎo)體越過界面進(jìn)入金屬的電子并不發(fā)生積累，而 是直接漂移過去稱為漂移電流，故具有更好的高頻特性。 在相同勢壘高度下，肖特基二極管的反向飽和電流要比pn大得多， 說明肖特基二極管具有較低的正向?qū)妷骸?第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 所以，肖特基勢壘二極管在高速集成電路、微波技術(shù)等領(lǐng)域都有很 重要的應(yīng)用； 用金屬-半導(dǎo)體勢壘作為控制柵極，制成肖特基勢壘柵場效應(yīng)管。 GaAs勢壘柵場效應(yīng)晶體管的功率和噪聲性能能比GaAs晶體管好！ 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 擴散理論給出了電流產(chǎn)生的原因： 對于n型阻擋層，體內(nèi)電子濃度為n0，接觸界面處的電子濃度為： 說

11、明接觸電勢差越大，體內(nèi)載流子通過阻擋層向接觸面擴散的電子 越少；在同一金屬-半導(dǎo)體接觸中，體內(nèi)和界面的電子濃度差異引 起電子由內(nèi)入向接觸面擴散，平衡時正好把勢壘中的內(nèi)建電場抵消； 加正向電壓，勢壘降低，內(nèi)建電場作用減弱，擴散占優(yōu)勢，使電子 向接觸面流動形成正向電流。 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 擴散理論給出了電流產(chǎn)生的原因： 對于n型阻擋層，空穴為少數(shù)載流子，電子的阻擋層就是空穴的積 累層，接觸面上空穴的濃度為： 接觸面上空穴濃度高，而體內(nèi)濃度低，使得空穴從界面向體內(nèi)擴散， 平衡時也恰好被電場作用抵消 加正向電壓時，勢壘降低，空穴擴散占主導(dǎo)，形成由接觸面到體內(nèi) 的空穴電流； 該電流與電子電流方

12、向一致，正向電流有一部分是由少數(shù)載流子空 穴提供的。 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 空穴電流的大小取決于阻擋層中的空穴濃度；當(dāng)勢壘足夠高VD時， 接觸面上的空穴濃度就很高； 平衡時，如果費米面正好處于禁帶中線處，說明阻擋層內(nèi)的電子濃 度和空穴濃度相當(dāng)，此時空穴電流不能忽略； 加正向電壓，空穴將由金屬流向半導(dǎo)體，先在阻擋層內(nèi)不斷積累， 再向半導(dǎo)體的體內(nèi)擴散； 擴散越快，少數(shù)載流子產(chǎn)生的電流越大，該現(xiàn)象稱為少數(shù)載流子的 注入。 空穴從金屬注入半導(dǎo)體，相當(dāng)于半導(dǎo)體價 帶頂部附近的電子流向金屬，填充金屬費 米能級以下的空能級，在半導(dǎo)體價帶頂留 下空穴。 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 探針接觸分析表明，如果

13、接觸球面半徑越小(探針的曲率半徑)，注 入少數(shù)載流子的擴散要比平面接觸強很多； 點接觸容易得到高效率的少子注入，所以少數(shù)載流子的注入及測試 實驗中應(yīng)盡量采用探針接觸； 在用金屬電極與半導(dǎo)體接觸測半導(dǎo)體電阻率時，應(yīng)盡量避免少數(shù)載 流子的注入，應(yīng)盡量增大表面復(fù)合。 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 還有一種金屬-半導(dǎo)體的接觸，屬于非整流接觸； 不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，不會使半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)生 顯著改變。 理想的歐姆接觸要求接觸電阻比半導(dǎo)體或器件本身小很多，電流流 過時，歐姆接觸上的電壓降遠(yuǎn)小于器件上的壓降，幾乎不影響器件 的I-V屬性。 歐姆接觸是超高頻、大功率器件設(shè)計和制造的關(guān)鍵問題。 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 不考慮表面態(tài)的影響： 當(dāng) ，金屬和n型半導(dǎo)體接觸可形成反阻擋層； 當(dāng) ，金屬和p型半導(dǎo)體接觸可形成反阻擋層； 反阻擋層沒有整流作用，可以通過選用合適功函數(shù)的金屬形成歐姆 接觸； 但最常見的半導(dǎo)體都有很高的表面態(tài)密度，與金屬接