半導體物理2013(第七章)

1、第第7 7章章 金屬和半導體的接觸金屬和半導體的接觸 本章重點闡述金屬和半導體接觸時在接觸面本章重點闡述金屬和半導體接觸時在接觸面附近產生的附近產生的新的結構新的結構，這種，這種新的結構具有整流效新的結構具有整流效應應，并介紹了，并介紹了少數載流子注入、歐姆接觸等相關少數載流子注入、歐姆接觸等相關概念概念。7.1 金屬半導體接觸及其能級圖7.1.1 金屬和半導體的功函數l金屬功函數金屬功函數l金屬功函數隨原子序數的遞增呈現金屬功函數隨原子序數的遞增呈現周期性變化，功函數的大小顯示出周期性變化，功函數的大小顯示出金屬中電子離開金屬表面成為自由金屬中電子離開金屬表面成為自由電子的難以程度，功函數大

2、的金屬電子的難以程度，功函數大的金屬穩(wěn)定性也較強。穩(wěn)定性也較強。mFmEEW)(0l半導體功函數半導體功函數l電子親和能電子親和能 故故 其中其中0sFsWEEcEE 0nsFcsEEEW)()ncFsEEE7.1 金屬半導體接觸及其能級圖7.1.1 金屬和半導體的功函數7.1 金屬半導體接觸及其能級圖7.1.2 接觸電勢差金屬與金屬與n n型半導體接觸為例（型半導體接觸為例（WmWsWmWs）l接觸前接觸前7.1 金屬半導體接觸及其能級圖7.1.2 接觸電勢差l金屬和半導體間距離金屬和半導體間距離D D遠大于原子間距，電遠大于原子間距，電勢差主要落在界面間隙中。勢差主要落在界面間隙中。l V

3、ms Vms是由于接觸而產生的是由于接觸而產生的電電 勢差，稱為勢差，稱為接觸電勢差接觸電勢差。 qWWVVVmssmms+- - - - - =WM-WS半導體表半導體表面出現空面出現空間電荷區(qū)間電荷區(qū)7.1 金屬半導體接觸及其能級圖7.1.2 接觸電勢差l隨著隨著D D的減小，電勢差同時落在兩界面間及半的減小，電勢差同時落在兩界面間及半導體表面的空間電荷區(qū)內。導體表面的空間電荷區(qū)內。smsmsVVqWWV VS S是半導體表面與內部之間是半導體表面與內部之間存在的電勢差，即為存在的電勢差，即為表面勢表面勢。半導體表半導體表面出現空面出現空間電荷區(qū)間電荷區(qū)電場電場7.1 金屬半導體接觸及其能

4、級圖7.1.2 接觸電勢差l若若D D小到可以與原子間距相比較，電勢差全部落小到可以與原子間距相比較，電勢差全部落在半導體表面的空間電荷區(qū)內。在半導體表面的空間電荷區(qū)內。DsmsVVqWW電場電場=-qV=-qVS SV VS0SWsn型阻擋層）7.1 金屬半導體接觸及其能級圖7.1.2 接觸電勢差E空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)電場及表面勢電場及表面勢能帶情況能帶情況接觸類型接觸類型電場電場V VS0S07.1 金屬半導體接觸及其能級圖7.1.2 接觸電勢差l金屬和n型半導體接觸（Wm0S07.1 金屬半導體接觸及其能級圖7.1.2 接觸電勢差l金屬和p型半導體接觸（WsWmp型阻擋層）電場電場V V

5、S0S07.1 金屬半導體接觸及其能級圖7.1.2 接觸電勢差l金屬和p型半導體接觸（WmWsp型反阻擋層）電場電場V VS0S0V0 若金屬接電源正極，若金屬接電源正極，n n型半導體接電源負極，則外型半導體接電源負極，則外加電壓主要降落在阻擋層上，外電壓方向由金屬指向半加電壓主要降落在阻擋層上，外電壓方向由金屬指向半導體，外加電壓方向和接觸表面勢方向導體，外加電壓方向和接觸表面勢方向( (半導體表面空半導體表面空間電荷區(qū)內電場間電荷區(qū)內電場) )相反，使勢壘高度下降，電子順利的相反，使勢壘高度下降，電子順利的流過降低了的勢壘。流過降低了的勢壘。從半導體流向金屬的電子數超過從從半導體流向金屬

6、的電子數超過從金屬流向半導體的電子數，形成從金屬流向半導體的正金屬流向半導體的電子數，形成從金屬流向半導體的正向電流。向電流。7.2 金屬半導體接觸整流理論7.2.1 金屬半導體接觸整流特性內電場方向內電場方向外電場方向外電場方向7.2 金屬半導體接觸整流理論7.2.1 金屬半導體接觸整流特性l（3 3）V0V0V0時，若時，若qVkqVk0 0T T，則，則l當當V0Vk|qV|k0 0T T，則，則l該理論是用于遷移率較小，平均自由程較短的半導該理論是用于遷移率較小，平均自由程較短的半導體，如氧化亞銅。體，如氧化亞銅。)exp(0TkqVJJsDsDJJ7.2 金屬半導體接觸整流理論7.2

7、.2 金屬半導體整流接觸電流電壓方程l熱電子發(fā)射理論熱電子發(fā)射理論l當當n n型阻擋層很薄，電子平均自由程遠大于勢壘寬度。起型阻擋層很薄，電子平均自由程遠大于勢壘寬度。起作用的是勢壘高度而不是勢壘寬度，電流的計算歸結為作用的是勢壘高度而不是勢壘寬度，電流的計算歸結為超越勢壘的載流子數目。超越勢壘的載流子數目。l假定，由于越過勢壘的電子數只占半導體總電子數很少假定，由于越過勢壘的電子數只占半導體總電子數很少一部分，故半導體內的電子濃度可以視為常數。一部分，故半導體內的電子濃度可以視為常數。l討論非簡并半導體的情況。討論非簡并半導體的情況。 7.2 金屬半導體接觸整流理論7.2.2 金屬半導體整流

8、接觸電流電壓方程l針對針對n n型半導體，電流密度型半導體，電流密度*20exp()nssTqJA Tk T0exp() 1sTqVJJk T其中理查遜常數其中理查遜常數320*4hkqmAnGeGe、SiSi、GaAsGaAs有較高的載流子遷移率，有較大的平均自由有較高的載流子遷移率，有較大的平均自由程，因此在室溫下主要是多數載流子的熱電子發(fā)射。程，因此在室溫下主要是多數載流子的熱電子發(fā)射。l兩種理論結果表示的阻擋層電流與外加電壓變化關系兩種理論結果表示的阻擋層電流與外加電壓變化關系基本一致，體現了電導非對稱性基本一致，體現了電導非對稱性正向電壓，電流正向電壓，電流隨電壓指數增加；反向電壓，

9、電流基本不隨外加電壓隨電壓指數增加；反向電壓，電流基本不隨外加電壓而變化而變化lJ JSDSD與外加電壓有關；與外加電壓有關；J JSTST與外加電壓無關，強烈依賴溫與外加電壓無關，強烈依賴溫度度T T。當溫度一定，。當溫度一定，J JSTST隨反向電壓增加處于飽和狀態(tài)，隨反向電壓增加處于飽和狀態(tài)，稱之為反向飽和電流。稱之為反向飽和電流。7.2 金屬半導體接觸整流理論7.2.2 金屬半導體整流接觸電流電壓方程7.2 金屬半導體接觸整流理論7.2.3 肖特基勢壘二極管 肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管利用金屬利用金屬- -半導體整流接觸特性制成半導體整流接觸特性制成的二極管。的二極管。l與與pn

10、pn結的相同點結的相同點： l單向導電性單向導電性 。l與與pnpn結的不同點結的不同點：lpnpn結正向電流為非平衡少子擴散形成的電流結正向電流為非平衡少子擴散形成的電流, ,有顯著的有顯著的電荷存儲效應；肖特基勢壘二極管的正向電流主要是半電荷存儲效應；肖特基勢壘二極管的正向電流主要是半導體多數載流子進入金屬形成的，是多子器件，無積累，導體多數載流子進入金屬形成的，是多子器件，無積累，因此高頻特性更好；因此高頻特性更好；l肖特基二極管肖特基二極管JsDJsD和和JsTJsT比比pnpn結反向飽和電流結反向飽和電流JsJs大得多，大得多，因此對于同樣的使用電流，肖特基二極管有較低的正向因此對于

11、同樣的使用電流，肖特基二極管有較低的正向導通電壓。導通電壓。7.3 少數載流子的注入和歐姆接觸7.3.1 少數載流子的注入ln n型阻擋層，體內電子濃度為型阻擋層，體內電子濃度為n n0 0，接，接觸面處的電子濃度是觸面處的電子濃度是l電子的阻擋層就是空穴積累層。在電子的阻擋層就是空穴積累層。在勢壘區(qū)，空穴的濃度在表面處最大。勢壘區(qū)，空穴的濃度在表面處最大。體內空穴濃度為體內空穴濃度為p p0 0，則表面濃度為，則表面濃度為)exp()0(00TkqVnnD)exp()0(00TkqVppDl平衡時，空穴的擴散運動和由于內電場產生的漂移運動相平衡時，空穴的擴散運動和由于內電場產生的漂移運動相等

12、，凈電流為零。等，凈電流為零。l加正壓時，勢壘降低，除了前面所提到的電子形成的電子加正壓時，勢壘降低，除了前面所提到的電子形成的電子流以外，空穴的擴散運動占優(yōu)，形成自金屬向半導體內部流以外，空穴的擴散運動占優(yōu)，形成自金屬向半導體內部的空穴流，形成的電流與電子電流方向一致，因此總的正的空穴流，形成的電流與電子電流方向一致，因此總的正向電流包含電子流和少數載流子空穴流。向電流包含電子流和少數載流子空穴流。l空穴電流大小，取決于阻擋層的空穴電流大小，取決于阻擋層的空穴濃度空穴濃度和和空穴進入半導空穴進入半導體內擴散的效率體內擴散的效率。7.3 少數載流子的注入和歐姆接觸7.3.1 少數載流子的注入l

13、平衡時，如果接觸面處有平衡時，如果接觸面處有l(wèi)此時若有外加電壓，空穴電流此時若有外加電壓，空穴電流的貢獻就很重要了。的貢獻就很重要了。)()0(FcvFEEEE7.3 少數載流子的注入和歐姆接觸7.3.1 少數載流子的注入l加正電壓時，勢壘兩邊加正電壓時，勢壘兩邊界處的電子濃度將保持界處的電子濃度將保持平衡值，而空穴先在阻平衡值，而空穴先在阻擋層內界形成積累，然擋層內界形成積累，然后再依靠擴散運動繼續(xù)后再依靠擴散運動繼續(xù)進入半導體內部。進入半導體內部。7.3 少數載流子的注入和歐姆接觸7.3.1 少數載流子的注入7.3 少數載流子的注入和歐姆接觸7.3.1 少數載流子的注入l綜上，綜上，在金屬

14、和在金屬和n n型半導體的整流接觸上加正向電壓時，型半導體的整流接觸上加正向電壓時，就有空穴從金屬流向半導體，這種現象稱為就有空穴從金屬流向半導體，這種現象稱為少數載流子少數載流子的注入的注入。l加正向電壓時，少數載流子電流與總電流值比稱為少數加正向電壓時，少數載流子電流與總電流值比稱為少數載流子的注入比，用載流子的注入比，用表示。對表示。對n n型阻擋層而言型阻擋層而言2*20/()expiPPpPPnnPnSDqnJDJJJJJJLqN A Tk T7.3 少數載流子的注入和歐姆接觸7.3.2 歐姆接觸l歐姆接觸歐姆接觸l金屬與半導體形成的非整流接觸，這種接觸不產生金屬與半導體形成的非整流

15、接觸，這種接觸不產生明顯的附加阻抗，而且不會使半導體內部的平衡載明顯的附加阻抗，而且不會使半導體內部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著的變化。流子濃度發(fā)生顯著的變化。l實現實現 l反阻擋層沒有整流作用，但由于常見半導體材料一反阻擋層沒有整流作用，但由于常見半導體材料一般都有很高的表面態(tài)密度，因此很難用選擇金屬材般都有很高的表面態(tài)密度，因此很難用選擇金屬材料的辦法來獲得歐姆接觸。料的辦法來獲得歐姆接觸。 l重摻雜的半導體與金屬接觸時，則勢壘寬度變得很薄，重摻雜的半導體與金屬接觸時，則勢壘寬度變得很薄，電子通過隧道效應貫穿勢壘產生大隧道電流，甚至超過電子通過隧道效應貫穿勢壘產生大隧道電流，甚至超過熱電子發(fā)射

16、電流而成為電流的主要成分，即可形成接近熱電子發(fā)射電流而成為電流的主要成分，即可形成接近理想的歐姆接觸。理想的歐姆接觸。 常常是在常常是在n型或型或p型半導體上制作一層重摻雜區(qū)域后再與型半導體上制作一層重摻雜區(qū)域后再與金屬接觸，形成金屬金屬接觸，形成金屬-n n或金屬或金屬-p p型結構。型結構。7.3 少數載流子的注入和歐姆接觸7.3.2 歐姆接觸+l接觸電阻：零偏壓下的微分電阻接觸電阻：零偏壓下的微分電阻l把導帶底把導帶底E Ec c選作電勢能的零點，可得選作電勢能的零點，可得l電子勢壘電子勢壘l令令y=dy=d0 0-x-x，則，則10)(VcVIR200)(2)(dxqNxVrD7.3

17、少數載流子的注入和歐姆接觸7.3.2 歐姆接觸2002)(2)(dxNqxqVrD220( )2Drq NqV yy l根據量子力學中的結論，根據量子力學中的結論，x=dx=d0 0處導帶底電子通過隧道效處導帶底電子通過隧道效應貫穿勢壘的隧道概率為應貫穿勢壘的隧道概率為l有外加電壓時，勢壘寬度為有外加電壓時，勢壘寬度為d d，表面勢為，表面勢為(V(Vs s) )0 0+V+V，則，則隧道概率隧道概率)()(4exp)()2(4exp02120*210212*0sDRndnVNhmdyyqVhmP)()(4exp)()(4exp21220*02120*VVqNhqmVVNhmPDDRnsDRn7.3 少數載流子的注入和歐姆接觸7.3.2 歐姆接觸l隧道電流與隧道概率成正比隧道電流與隧道概率成正比l進而可得到進而可得到)()(4exp2