金属和半导体接触ppt课件

第7章 金属和半导体接触,1,理解肖特基势垒的作用方式及其I-V特性。 比较肖特基二极管与pn结二极管的电子输运特点及I-V特性 理解欧姆接触的能带特点与实现方式,学习目标,2,7.2 金属半导体接触整流理论,在半导体上施加外压，由于耗尽区阻抗比金属和半导体内部阻抗大得多，所以外压几乎全落在耗尽区上。 外加偏压影响半导体的表面势及空间电荷区厚度，但不影响势垒高度。,3,1938年，W.Schottky提出了关于整流二极管的理论，称为肖特基理论。肖特基势垒的电流受到从半导体空间电荷层边缘向金属输运的载流子支配。 当电子来到势垒顶上向金属发射时，它们的能量比金属中的电子的能量高出约 b 。进入金属之后，它们在金属中碰撞以给出这份多余的能量之前，由于它们的等效温度高于金属中的电子，因而把这些电子看成热的，叫做热电子。 热电子发射理论：势垒高度远大于kT时，电流的计算可以归纳为计算超越势垒的载流子数目 假设热电子电流占主要成分，电流受越过势垒（热电子发射）的限制。热电子发射电流密度 与沿x方向运动的动能大于接触势垒的电子数目有如下关系： = ,肖特基二极管理论,4,考虑外加偏压V的影响，如果电子能量大于导带底部分 全部为动能： = ，根据热电子发射条件有 + = = = ( )exp 利用 = 和平衡态时有 = 可得： = 其中 = ( ), （理查森常数）,(7.6),热电子发射理论(1/2),5,反向电流随反偏电压的增加而增加是由于势垒降低的影响。,热电子发射理论(2/2),6,区别电流输运机构不同 pn结二极管靠少子扩散运动形成电流，外加正偏电压时少子首先形成一定的积累，再靠扩散运动形成电流。 肖特基二极管的电流取决于多子通过内建电势的发射电流。外加正偏电压时直接形成漂移电流流走。,肖特基势垒二极管的反向饱和电流密度：,理想pn结二极管的反向饱和电流密度：,肖特基势垒二极管与pn结比较, = ( ), = + ,区别2反向饱和电流的数量级 pn结二极管的反偏电流主要由产生电流支配，10-7A/cm2，比肖特基二极管小23个数量级,7,对于N型阻挡层，当势垒的宽度比电子的平均自由程大地多时，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 扩散理论:计算通过势垒的电流时，需主要考虑载流子扩散穿越表面势垒的过程。扩散理论适用于厚阻挡层 假设扩散电流为主要成分，则半导体向金属的流密度为 = + 通过外加偏压改变电场强度，正向偏置时，电场强度减小，漂移项减小，扩散项主导，产生净电流 能够越过表面势垒的电子数目由势垒高度和玻尔兹曼分布函数决定： = 金属中的电子数目远大于半导体掺杂浓度Nd，零偏时 才能使两个方向的电流相等,扩散理论(1/2),8,零偏时有： = = 外加偏压V时，势垒变为 ，相应的 = ( ) 从金属到半导体的电子流大小不受V影响，因此有： = = ( ) = 其中 = 为反向饱和电流 两种理论推导出的I-V特性曲线满足：= ( ) 不同理论结果的差别主要在于 的表达式不同 基于多子扩散理论， 取决于半导体的接触电势差； 基于热电子发射理论， 取决于肖特基势垒高度。,扩散理论(2/2),9,肖特基二极管与pn结I-V特性比较,相同点 单向导电性 不同点 正向导通时，pn结正向电流由少数载流子的扩散运动形成，而肖特基势垒二极管的正向电流由半导体的多数载流子发生漂移运动直接进入金属形成，因此后者比前者具有更好的高频特性 肖特基势垒二极管的势垒区只存在于半导体一侧 肖特基势垒二极管具有较低的导通电压，一般为0.3V，pn结一般为0.7V 肖特基二极管的反向饱和电流与肖特基势垒参数与温度有关；而pn结的反向饱和电流与少子浓度及少子寿命有关。肖特基势垒的反向饱和电流比pn结更大。,10,肖特基二极管与pn结二极管I-V特性,11,7.3 少子注入和欧姆接触,考虑M/S接触的少子 n型半导体的势垒和阻挡层都是对电子而言，对于其中的空穴，由于电荷相反，电子的匮乏层(阻挡层)就是空穴的积累层。势垒区域，表面的空穴浓度最大 表面空穴浓度可表示为 = 正向偏压时，空穴的扩散电流贡献部分正向电流 势垒高度很大时，靠近接触面的空穴浓度就很高，甚至超过平衡多子浓度n0，使得空穴贡献电流大 正向偏压注入半导体的空穴向体内扩散，在势垒区内边界形成积累。因此，空穴电流还决定于扩散的效率,12,在金属和n型半导体的肖特基结上加正向偏压，空穴将从金属流向半导体，称为少数载流子的注入，注入电流实际上是半导体价带顶附近的电子流向金属费米能级以下的空状态而形成的 加正向偏压时，少子电流与总电流之比称为少子注入比，用表示，对n型阻挡层有： = = + ,少子注入比,13,欧姆接触,欧姆接触 如果多数载流子通过M/S接触时，能够不受肖特基势垒的阻挡，从一种材料输运到另一种材料，则该接触称为欧姆接触，其正反偏置的电流输运特征没有差别 不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变，为非整流接触 欧姆接触是接触电阻很低的结，理想状态下，欧姆接触所形成的电流是电压的线性函数。,14,形成欧姆接触的方法 半导体掺杂浓度很高使得隧穿几率很大， 利用隧道效应的原理，把半导体一侧重掺杂形成金属-n+n或金属-p+p结构，从而得到理想的欧姆接触,隧穿型欧姆接触,埃左右,隧道电流随掺杂浓度的增大而指数增大,欧姆接触的形成,15,假设 和 很大，则 = ( + ) 变得很小，当 时，电子可以隧穿势垒，电子可从半导体隧穿到金属或相反。 在 条件下，不考虑外加电压， . (以Si为例) 这一掺杂浓度在实际工艺中很容易实现，在集成电路中普遍采用,隧道效应产生的欧姆接触,16,形成欧姆接触的方法 选择合适功函数的半导体和金属，使得电流流经M/S接触时不存在势垒(反阻挡层)。当 时，电子从金属流向半导体，半导体表面有足够的电子，出现多子积累,反阻挡型的欧姆接触,17,金属与p型半导体非整流接触的理想情况,使p型半导体表面更p,p型反阻挡,18,形成欧姆接触的非平衡理想能带图 正向偏压：半导体电子向金属发射，半导体内部电子向表面扩散，表面电势高于内部 反向偏压：金属电子向半导体发射，半导体表面电子向内部漂移，表面电势低于内部 无表面势垒,+,-,-,+,反阻挡型欧姆接触偏置能带图,19,前述没有考虑表面态的影响实际由于界面态的影响，很难很好的形成反阻挡型欧姆接触 因表面态密度较高，能够提供足够多的电子，流向金属的电子主要来自表面态，半导体势垒区几乎不变化 因此，实际的欧姆接触采用隧道效应,实际的欧姆接触,20,接触电阻值,欧姆接触(隧道效应)：,Rc随Nd呈指数规律变化,整流接触：,欧姆接触,21,小结,平衡肖特基势垒,界面两边的金属和半导体相互发射的电子电流大小相等，方向相反。构成动态平衡，净电流为零,正向偏压(金属接正),半导体侧的表面势垒高度qVD降低，金属侧的肖特基势垒高度m基本不变。半导体流向金属的电子更多，形成正向电流,22,反向偏压(金属接负),半导体侧的表面势垒高度qVD增高，金属侧的肖特基势垒高度m基本不变。金属流向半导体的电子更多，形成反向电流,m很高，且不随外压变化，反向电流很小，并趋于饱和,整流结I-V关系，与pn结相似有： = ,23,热电子发射理论(贝特建立)： 势垒区宽度比载流子平均自由程小的多，载流子无碰撞渡越势垒 Js与肖特基势垒高度相关,扩散理论(肖特基建立)： 势垒区宽度比载流子平均自由程大，载流子扩散越过表面势垒，在界面处向金属发射 Js与表面势垒高度相关,欧姆接触： 隧穿几率依赖于隧道长度L, 越大，隧穿几率越高，更易 产生欧姆接触,24,复习思考题,画出pn结在零偏、正偏和反偏时的能带图。 2. 什么是耗尽区势垒电容、扩散电