金屬和半導體的接觸

關(guān)于金屬和半導體的接觸第1頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容§7.1金屬和半導體接觸及其能級圖§7.2金屬和半導體接觸整流理論

§7.3少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸掌握阻擋層與反阻擋層的形成，肖特基勢壘的定量特性，歐姆接觸的特性。第2頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、功函數(shù)1.金屬的功函數(shù)Wm金屬的功函數(shù)表示一個起始能量等于費米能級的電子，由金屬內(nèi)部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。E0(EF)mWmE0為真空中電子的能量，又稱為真空能級?！?.1金屬和半導體接觸及其能級圖金屬中的電子在勢阱中運動第3頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2.半導體的功函數(shù)WsE0與費米能級之差稱為半導體的功函數(shù)。χ表示從Ec到E0的能量間隔：稱χ為電子的親和能，它表示要使半導體導帶底的電子逸出體外所需要的最小能量。Ec(EF)sEvE0χWsEn第4頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月式中：N型：半導體Ec(EF)sEvE0χWsEn第5頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月P型半導體：第6頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月設想有一塊金屬和一塊N型半導體，并假定金屬的功函數(shù)大于半導體的功函數(shù)，即：二、金屬與半導體的接觸及接觸電勢差1.阻擋層接觸第7頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月接觸前：E0xWsEFsEcEnWmEFmEv第8頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月半導體中的電子金屬—+Vms稱為金屬與半導體接觸電勢差。接觸后：（間隙大）E0xWsEFsEcEnWmEFmEvVms半導體電勢提高，金屬電勢降低，直到二者費米能級相平第9頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月緊密接觸：EcEFEnqVdEvWsxq（Vs，—Vm）空間電荷區(qū)E表面形成空間電荷區(qū),內(nèi)部產(chǎn)生自建電場。表面勢Vs：空間電荷區(qū)兩端的電勢差。第10頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月忽略間隙中的電勢差時的極限情形半導體一邊的勢壘高度為：金屬一邊的勢壘高度為：EcEFEnqVdEv（Vs<0）第11頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬與N型半導體接觸時，若Wm>Ws，半導體表面形成表面勢壘。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。EcEFEnqVdEvE第12頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2.反阻擋層接觸（歐姆接觸）若Wm<Ws，金屬與N型半導體接觸時，電子將從金屬流向半導體，在半導體表面形成負的空間電荷區(qū)，電場方向由表面指向體內(nèi)，Vs>0，能帶向下彎曲。這里電子濃度比體內(nèi)大得多，因而是一個高電導的區(qū)域，稱之為反阻擋層。EcEFWs-WmEvx-WmE第13頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬與P型半導體接觸時，若Wm>Ws，能帶向上彎曲，形成P型反阻擋層。金屬與P型半導體接觸時，若Wm<Ws，形成空穴的表面勢壘。在勢壘區(qū)，空間電荷主要由電離受主形成，空穴濃度比體內(nèi)小得多，也是一個高阻區(qū)域，形成P型阻擋層。第14頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月N型P型Wm>Ws阻擋層反阻擋層Wm<Ws反阻擋層阻擋層

肖特基接觸（整流接觸）金屬/半導體接觸歐姆接觸

形成n型和p型阻擋層的條件第15頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月三.表面態(tài)對接觸勢壘的影響1.表面態(tài)和表面能級：表面態(tài)：源于半導體表面晶格的不完整性，表面吸附外來原子或離子。它是局域在表面附近的新電子態(tài)。表面態(tài)能級：

大多數(shù)半導體的在Ev以上Eg/3的地方。第16頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2.表面態(tài)的類型1）施主型：電子占滿時呈中性，失去電子帶正電。

以下的表面態(tài)空著，表面帶正電。

2）受主型：能級空時為電中性，接受電子帶負電。以上的表面態(tài)被電子填充，表面帶負電。第17頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.表面態(tài)對接觸勢壘的影響受主態(tài)n型半導體能帶圖無表面態(tài)時半導體功函數(shù)：有表面態(tài)時半導體功函數(shù)：因半導體與表面態(tài)交換電子，（不與金屬接觸時）半導體表面能帶發(fā)生彎曲qVD

,勢壘高度隨Wm不是線性變化。第18頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月半導體存在高密度表面態(tài)時

勢壘高度與金屬功函數(shù)無關(guān)，稱為高表面態(tài)密度釘扎（pinning）,稱為巴丁模型。第19頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)半導體表面態(tài)密度很高時（>1017eV-1.cm-2),它可屏蔽金屬接觸的影響，使得勢壘高度與金屬功函數(shù)幾乎無關(guān)，而由半導體表面性質(zhì)決定。當表面態(tài)密度不是很高時，金屬功函數(shù)對勢壘高度產(chǎn)生不同程度的影響。第20頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月§7.2金屬和半導體接觸整流理論一.外加電壓對n型阻擋層（Vs<0）的作用1.外加電壓V=0半導體側(cè)電子勢壘高度:無凈電流第21頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2.加正向電壓V>0半導體側(cè)電子勢壘高度降低為-q[（Vs）0+V)]金屬側(cè)電子勢壘高度不變。電流方向M→S，由S→M的電子形成正向電流。第22頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.加反向電壓V<0半導體側(cè)電子勢壘高度增加為：-q[（Vs）0+V)]電流方向S→M，由M→S的電子形成反向電流第23頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月阻擋層的I/V特性正向電流隨外加正向電壓增加而增大；金屬一側(cè)勢壘很高，反向電流很小，且趨于飽和。阻擋層具有單向?qū)щ娦浴魈匦?。?4頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月P型半導體第25頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月n型和p型阻擋層的作用阻擋層具有整流特性；正向電流規(guī)定為半導體多子形成的電流；

n型:金屬極加正電壓，V>0，形成電子由半導體到金屬的正向電流；電流方向：金屬→半導體p型：金屬極加負電壓V<0，形成空穴由半導體到金屬的正向電流；電流方向：半導體→金屬第26頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月1.擴散理論流過勢壘的電流主要由電子在耗盡區(qū)的擴散和漂移過程決定。適于勢壘區(qū)寬度遠大于電子的平均自由程的半導體二.理論模型第27頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月耗盡區(qū):雜質(zhì)全電離，電荷由雜質(zhì)電離形成。電場僅存在空間電荷區(qū)。方向指向半導體表面。第28頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月泊松方程：利用邊界條件：第29頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月勢壘中的電場第30頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月V>0,勢壘寬度xd隨V增加而減小，半導體側(cè)勢壘降低。V<0，勢壘寬度xd隨V增加而增加，半導體側(cè)勢壘升高這種依賴于外加電壓的勢壘，稱為肖特基勢壘。最大電場隨反向電壓的增加而增大，正向電壓的增加而減小，且隨摻雜濃度的增加而增大；勢壘區(qū)寬度隨反向電壓的增加而增大，正向電壓的增加而減小，且隨摻雜濃度的增加而減小，注意：討論：第31頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月流過勢壘的電流密度：半導體勢壘區(qū)與中性區(qū)存在濃度梯度，所以有擴散電流。有外加電壓時，存在漂移電流。利用：得到：根據(jù)：第32頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月同乘以得到：積分：第33頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月利用邊界條件：由于隨x增加迅速減小只考慮在x=0附近2xxd＞＞x2第34頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月積分，得到：其中討論：1）當qV﹥﹥k0T，有J=JsDexp（qV/k0T），為通常情況。2）當-qV﹥﹥k0T，則J=-JsD，不飽和，JsD隨外加電壓的升高而增加。第35頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2.熱電子發(fā)射理論假設流過勢壘的電流主要受電子越過勢壘的過程限制。適于電子的平均自由程遠大于勢壘區(qū)寬度的半導體。平衡時，界面處半導體側(cè)的電子濃度:第36頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月單位時間入射到單位面積上的電子數(shù)為：nVth/4，平衡時，由半→金的熱電子發(fā)射電流密度與金→半都為：第37頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月當V>0時，界面處半導體側(cè)勢壘高度降低,電子濃度:當V>0時，由半→金的電子流密度:金屬一側(cè)勢壘高度不變，實際凈正向電流密度為：其中：第38頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月令∴其中：第39頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.兩個理論模型的比較1、擴散理論的：J=J[exp(qVkT)?1]JSD不飽和，與外加電壓相關(guān)。熱電子發(fā)射理論：J=J[exp(qV/kT)?1]JsT與外加電壓無關(guān)，但強烈依賴于溫度。2、擴散理論適于勢壘區(qū)寬度遠大于電子的平均自由程的半導體,如氧化亞銅，非晶硅。熱電子發(fā)射理論適于勢壘區(qū)寬度遠小于電子的平均自由程的半導體，如Ge、Si、GaAs等。第40頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月三.理論模型與實測結(jié)果的偏差（影響因素）1.鏡像力的影響：在金屬、真空系統(tǒng)中，一個在金屬外面的電子，要在距離金屬表面同樣距離（在金屬內(nèi)部）感應出等量的正電荷，這個正電荷稱為鏡像電荷，電子和鏡像電荷之間的吸引力稱為鏡像力。第41頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月鏡像力引起的勢壘降低，并隨反向電壓的增加而增大。從而使反向電流增加。鏡像力在反向電壓比較大的情況下（—V﹤﹤VD），鏡像力效應才比較明顯，它主要對反向特性影響大。第42頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2.隧道效應的影響能量低于勢壘頂?shù)碾娮佑幸欢◣茁蚀┻^這個勢壘，穿過的幾率取決于電子的能量和勢壘的厚度。隧道效應引起的勢壘降低隨反向電壓的增加而增大從而使反向電流增加。它主要對反向特性影響比較大。超薄勢壘對載流子無阻擋能力，電子可以自由穿過勢壘。通過半導體表面重摻雜可以獲得超薄勢壘，形成隧道電流，從而制備可獲得歐姆接觸。第43頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月四.肖特基勢壘二極管利用肖特基效應由金半整流接觸制作的二極管稱為肖特基勢壘二極管。1.特點（與pn結(jié)二極管相比）：

1）它是多子器件，較好的高頻特性。

2）有較低的正向?qū)妷海?.3V左右）。2.應用：高速集成電路，微波器件等。第44頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月§7.3少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸1、少數(shù)載流子的注入n型阻擋層擴散運動漂移運動擴散運動漂移運動電子空穴第45頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月當正向電壓較小時，電場較小，漂移電流較小，J擴>J漂

多子擴散電流遠高于少子擴散電流，通常忽略少子擴散電流。正向電流為多子擴散電流?？昭娏髅芏龋寒斦螂妷鹤銐蚋邥r，電場較大，電場引起很大的載流子漂移電流，使得少數(shù)載流子電流在電流中起主導作用。第46頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月對n型阻擋層，小注入時：少數(shù)載流子注入比：為了降低必須采用有高的ND

（相當于低電阻率材料）和小的ni（相當于寬禁帶材料）的金屬-半導體系統(tǒng)。第47頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2、歐姆接觸1）歐姆接觸：不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，電流在其上的產(chǎn)生的壓降遠小于在器件本身上所產(chǎn)生的壓降。2）歐姆接觸的重要性：作為器件引線的電極接觸，要求在金屬和半導體之間形成良好的歐姆接觸。在超高頻和大功率器件中，歐姆接觸是設計和制造中的關(guān)鍵問題之一。

第48頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3）歐姆接觸的制備方法（1）選擇適當金屬，使其和半導體形成反阻擋層。n型—Wm<Wsp型—Wm>Ws因半導體存在高密度表面態(tài)，實際很難做到形成反阻擋層。第49頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）利用隧道效應——半導體表面高摻雜。電子遂穿勢壘的幾率取決于：電子能量和勢壘寬度。勢壘寬度：當摻雜濃度很高時，勢壘很窄，形成很大的隧道電流：第50頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月高摻雜時,接觸電阻當ND

≥1019cm?3時，接觸電阻強烈依賴于摻雜濃度；濃度越高，電阻越低。第51頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月低、中等摻雜時，對勢壘接觸，電流適

于熱電子發(fā)射理論，接觸電阻：當N≤1017cm?3

接觸電阻與摻雜濃度無關(guān)。第52頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月形成歐姆接觸的方法

在半導體表面薄層形成高摻雜層，通常做成M/n+/n或M/p+/p結(jié)構(gòu)獲得良好的歐姆接觸。金屬（或合金、金屬硅化物）可采用蒸發(fā)、濺射、電鍍等。半導體表面粗磨或噴砂，表面形成大量復合中心。使表面耗盡區(qū)的復合成為控制電流的主要機構(gòu)，接觸電阻大大降低，近似稱為歐姆接觸。選擇低勢壘歐姆接觸。第53頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)需掌握的公式（由n型半導體推導）：

半導體側(cè)勢壘高度(Wm>Ws):

金屬側(cè)勢壘高度肖特基模型巴丁模型第54頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電子發(fā)射理論I/V特性其中JST與外加電壓無關(guān)，但強烈依賴于溫度。擴散理論I/V特性其中JSD不飽和，與外加電壓相關(guān)第55頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月耗盡層寬度：勢壘區(qū)寬度隨摻雜濃度的增加而減小，隨反向電壓的增加而增大，正向電壓的增加而減小接觸電阻：高摻雜形成隧道效應常用來制備制備歐姆，其接觸電阻隨摻雜濃度增加而減小第56頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月基本概念1.表面態(tài)施主型電子占滿時呈中性，失去電子帶正電。受主型能級空時為電中性，接受電子帶負電。2.表面態(tài)能級:

電子剛好填滿其下的所有態(tài)時呈中性。

EF位于以上，表面態(tài)為受主型，

EF位于以下，為施主型，3.擴散理論適用于勢壘區(qū)寬度遠大于電子的平均自由程的半導體。熱電子發(fā)射理論適用于勢壘區(qū)寬度遠小于電子的平均自由程的半導體，常用半導體Ge、Si、GaAs適用于熱電子發(fā)射理論。第57頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月基本理論金屬與n型半導體接觸

Wm>Ws

表面電子濃度低—阻擋層

Wm<Ws

表面電子濃度高—反阻擋金屬與P型半導體接觸

Wm<Ws

表面空穴濃度低—阻擋層

Wm>Ws

表面空穴濃度高—反阻擋層第58頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月阻擋層的整流理論1）阻擋層具有整流特性；2）正向電流為半導體多子形成的電流；3）n型:金屬極加正電壓，V>0，形成電子半導體金屬的正向電流；電流方向：從金屬半導體

p型：金屬極加負電壓V<0，形成空穴由半導體金屬的正向電流；正向電流方向：半導體金屬鏡象力和隧道效應均對反向特性的影響顯著，勢壘降低使反向電流增大。第59頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月作業(yè)P1943，4，7，8.第60頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月課堂思考題金屬和半導體的功函數(shù)是如何定義的？半導體的功函數(shù)與哪些因素有關(guān)？分析n型和p型半導體形成阻擋層于反阻擋層的條件。分別畫出半導體與金屬接觸時的能帶圖（分為Ws＞W(wǎng)m和Ws＜Wm，并忽略表面態(tài)的影響）什么叫歐姆接觸？金屬與重摻雜的半導體能形成歐姆接觸，簡單其物理原理。什么叫少數(shù)載流子注入效應？鏡像力和隧道效應如何影響金-半接觸勢壘的？比較擴散理論和熱電子發(fā)射理論在解決肖特基二極管整流特性時區(qū)別在什么地方？畫圖說明肖特基勢壘高度，并指出在一般情況下，它與哪些物理量有關(guān)？第61頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月習題課例1設p型硅NA=1017/cm3，試求:(1)室溫下費米能級的位置和功函數(shù)（2）不計表面態(tài)的影響，求該p型硅分別與鉑（Pt）和銀（Ag）接觸后是否形成阻擋層？（3）如果能形成阻擋層，求半導體一邊的勢壘高度。已知：WAg=4.81eV，WPt=5.3