1、第七章 金属和半导体的接触,林 硕E-mail: linshuo_,7.1 金属半导体接触 及其能带图,本章内容提要,金半接触及其能级图 整流特性 少子注入和欧姆接触,金属半导体接触,整流接触：微波技术和高速集成电路,欧姆接触：电极制作,成为界面物理重要内容,半导体器件重要部分,能级图,整流特征,欧姆接触,7.1 金属半导体接触及其能级图,1.金属与半导体的功函数,功函数：金属中的电子从金属中逸出，需由外界供给它足够的能量，这个能量的最低值被称为功函数。,金属功函数 Wm=E0-(EF)m,金属中的电子势阱,半导体的功函数和电子亲和能,E0为真空电子能级,半导体功函数 Ws=E0-(EF)s,
2、电子亲和能 =E0-Ec,Ws=+Ec-(EF)s=+En En=Ec-(EF)s,2.接触电势差（肖特基模型）,金属和n型半导体接触能带图（WmWs） （a）接触前；（b）间隙很大； （c）紧密接触；（d）忽略间隙,半导体电势提高,金属电势降低,平衡态，费米能级相等,金半间距D远大于原子间距时,D,正负电荷密度增加,D,与原子间距相比,空间电荷区形成（why），表面势，能带弯曲,（理想）,肖特基势垒高度,小结： （1）金属与n型半导体接触,WmWs，电子由半导体进入金属，在半导体表面形成电子势垒（阻挡层）WsWm，电子由金属进入半导体，Vs0，能带下降，表面是电子势阱， 形成电导层（反阻挡层
3、）,金属和n型半导体接触能带图（WmWs）,（2）金属与p型半导体接触,WmWs ，能带上升，空穴势阱，半导体表面是高电导压，为p型反阻挡层WmWs ，能带下降，形成空穴势垒，为p型阻挡层,优缺点： 很好地解释离子性半导体与金属接触时所形成的势垒的物理本质； 不能解释不同金属（Wm不一样）与同一种半导体接触（一定）时m与Wm的差别； 肖特基模型不是形成势垒的唯一机理。,金属和p型半导体接触能带图,(WmWs),(WmWs),3.表面态对接触势垒的影响（巴丁模型）,问题的提出：,不同金属与同一半导体接触,金属功函数相差很大，而势垒高度相差很小,理论上,实际中,金属一边的势垒高度应随金属功函数而变
4、化,金属与半导体接触是不同物质之间的紧密接触,界面,半导体固有表面态,势垒或势阱高度与 有关,半导体表面态密度足够高，平衡时半导体费米能级被锁定在,巴丁模型,1、阻挡层的整流特性 外加电压对阻挡层的作用,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,概念 整流理论是指阻挡层的整流理论 紧密接触的金属和半导体之间有外加电压 外加正向电压V于金属（V0），电压主要降落在高阻区域阻挡层上。原来半导体表面和内部之间的电势差，即表面势是(Vs00)，现在应为(Vs0十V)，因而半导体一边的电子势垒高度由-qVs0 改变为-q(Vs0十V)下降，形
5、成从金属到半导体的正向净电流，它是由n型半导体中多数载流子构成的。外加电压越高，势垒下降越多正向电流越大。,如外加反向电压(即V0），势垒增高，金属到半导体的电子流占优势，形成由半导体到金属的反向净电流。由于金属中的电子要越过相当高的qns才能到达半导体中，因此反向电流很小。因金属一边的势垒不随外加电压变化，所以从金属到半导体的电子流是恒定的。 当反向电压进一步提高，使半导体到金属的电子流可以忽略不计时，反向电流将趋于饱和值。所以这样的阻挡层具有类似p-n结的伏安特性，即有整流作用。,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,qVD
6、=-q(Vs)0,xd,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,加上正向电压（金属一边为正）时：,加上反向电压(金属一边为负)时：,p型阻挡层的讨论完全类似，不同的是这里(Vs)00，正反向电压的极性与n型阻挡层相反。当V0，即金属加负电压时，形成从半导体流向金属的正向电流；当V0，即金属加正电压时，形成反向电流。无论是哪种阻挡层，正向电流都相应等于多数载流子由半导体到金属所形成的电流。以上定性的说明了金属半导体接触整流理论，下面根据扩散和热电子发射理论定量讨论,2、整流理论,（1）扩散理论 xdLn时 （2）热电子发射理论 xd
7、Ln时,（1）扩散理论,n型阻挡层，当势垒的宽度比电子的平均自由程大得多时(xdLn )，电子通过势垒区要发生多次碰撞，这样的阻挡层称为 厚阻挡层-适用于扩散理论,Ln:电子的平均自由程 Xd:势垒宽度,势垒区存在电场，有电势的变化，载流子浓度不均匀。计算通过势垒的电流时，必须同时考虑漂移和扩散运动。一般情况下，势垒高度远大于k0T 时，势垒区可近似为一个耗尽层。在耗尽层中，载流子极少，它们对空间电荷的贡献可以忽略；杂质全部电离，空间电荷完全由电离杂质的电荷形成。n型半导体的耗尽层，耗尽层宽度xd 表示。 考虑半导体是均匀掺杂的，那么耗尽层中的电荷密度是均匀且等于qND,势垒高度qVDk0T时
8、，势垒区内的载流子浓度0,势垒区的电势分布 ：半导体内电场为零，E(xd)=0；取金属费米能级位置为零电位， 则V(0)=ns； 则边界条件为：E(xd)=0V(0)=ns；,VD,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,0,V,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,讨论：,Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact,Thank you!,
