半导体物理学刘恩科第七版 第七章 金半接触

1、第七章第七章 金属和半导体接触金属和半导体接触 7.1 金属半导体接触及其能级图；金属半导体接触及其能级图； 7.2 金属半导体接触整流理论金属半导体接触整流理论 7.3 少数载流子注入和欧姆接触少数载流子注入和欧姆接触 7.1 金半接触及其能带图金半接触及其能带图 0k时时，金属：，金属：EEF时，能级全空时，能级全空 一定温度一定温度T下，金属中下，金属中EF附近电附近电 子热激发，跃迁到子热激发，跃迁到EEF的能级的能级 金属内部的电子好像在势阱中金属内部的电子好像在势阱中 运动。运动。 金属内部电子逸出成为自由电子所需金属内部电子逸出成为自由电子所需 要的最小能量为：要的最小能量为：

2、半导体中，半导体中， 使内部电子从半导体逸出使内部电子从半导体逸出 成为自由电子成为自由电子所需要的最小能量所需要的最小能量为：为： Ws为半导体的功函数为半导体的功函数 表示表示半导体导带底的电子逸出体外半导体导带底的电子逸出体外 需要的最小能量。需要的最小能量。 Ws= +Ec-EF= + En 若一块金属和一块若一块金属和一块n型半导体，具有共同的真空静止能级，型半导体，具有共同的真空静止能级， 且（金属功函数）且（金属功函数）WmWs （半导体功函数）。（半导体功函数）。 接触前：接触前：接触后：接触后： 特征：特征： 1) Efs高于高于Efm; 2) Efs-Efm=Ws-Wm 特

3、征：特征：1)接触后，半导体中接触后，半导体中 的电子向金属中流动的电子向金属中流动 2) 平衡后具有统一费米能平衡后具有统一费米能 级，再无净电子流过。级，再无净电子流过。 接触后电子流动的结果：接触后电子流动的结果： 金属表面带负电，半导体表面带正电。金属表面带负电，半导体表面带正电。 所带电荷在数量上保持相同，系统保持电中性。所带电荷在数量上保持相同，系统保持电中性。 相对于相对于EFm, EFs下降了下降了(Wm Ws) 金属金属-半导体接半导体接 触产生的电势差触产生的电势差 (Vs- Vm)=(Wm Ws)/q q(Vs- Vm)=(Wm Ws) D为金属为金属-半导体半导体 间的

4、间距间的间距 D越小，靠近半导体的金属表面越小，靠近半导体的金属表面负电荷密度增加负电荷密度增加 靠近金属的半导体表面靠近金属的半导体表面正电荷密度增加正电荷密度增加。 半导体表面的半导体表面的正电荷正电荷分布在一定厚的表面层内，即分布在一定厚的表面层内，即 空间电荷区。空间电荷区内存在一定电场，造成能空间电荷区。空间电荷区内存在一定电场，造成能 带带弯曲弯曲。使表面和内部存在电势差。使表面和内部存在电势差Vs. 接触电势差接触电势差= Vs+Vms (Vs + VmS)=(Ws Wm)/q D很小时，很小时， VmS很小，接触电很小，接触电 势差主要降落在空间电荷区。势差主要降落在空间电荷区

5、。 D很小时，很小时，Vs=(Ws Wm)/q 半导体一侧的势垒高度为：半导体一侧的势垒高度为： qVD =-qVs=(Wm Ws) 其中，其中，Vs0 金属一侧的势垒高度为：金属一侧的势垒高度为： q ns=qVs +En= (Wm Ws)+En = Wm Ws= + En Vs0 Vs0 1. 电子从半导体流向金属，表电子从半导体流向金属，表 面形成面形成正正的空间电荷区的空间电荷区; 2. E由体内指向表面；由体内指向表面； 1. 电子从金属流向半导体，表电子从金属流向半导体，表 面形成面形成负负的空间电荷区的空间电荷区; 2. E由表面指向体内；由表面指向体内； 3. 能带向下弯曲，表

6、面形成势能带向下弯曲，表面形成势 垒垒 4. 势垒区电子大于体内，形成势垒区电子大于体内，形成 高电导区，常称高电导区，常称反阻挡层反阻挡层。 3. 能带向上弯曲，表面形成势垒；能带向上弯曲，表面形成势垒； 4. 势垒区由电离施主而成，形成势垒区由电离施主而成，形成 高阻区，常称高阻区，常称阻挡层阻挡层。 Vs0 Vs0 金属与金属与p型半导体接触时，情况刚好相反。型半导体接触时，情况刚好相反。 1. 能带向下弯曲；能带向下弯曲； 2. 形成形成p型型阻挡层阻挡层。 1. 能带向上弯曲；能带向上弯曲； 2. 形成形成p型型反阻挡层反阻挡层。 对一定半导体，亲和势对一定半导体，亲和势 一定。一定

7、。 理论上，金属材料不同，功函数理论上，金属材料不同，功函数Wm不不 同，势垒高度也不同。同，势垒高度也不同。 实际上，虽然金属功函数实际上，虽然金属功函数Wm差别较大差别较大 不同，势垒高度差别不大。不同，势垒高度差别不大。 由于由于半导体表面存在表面态半导体表面存在表面态的缘故的缘故 施主表面态：释放电子呈施主表面态：释放电子呈正电性正电性； 受主表面态：接受电子呈受主表面态：接受电子呈负电性负电性； 表面态具有表面能级，距价带顶表面态具有表面能级，距价带顶q 0 电子正好填满电子正好填满q 0以下所有以下所有表表 面态时，表面面态时，表面电中性；电中性； q 0以下所有以下所有表面态空着

8、时，表面态空着时，表面带表面带 正电，呈施主；正电，呈施主； q 0以上以上表面态被电子填满时，表面态被电子填满时，表面表面 带负电，呈受主；带负电，呈受主； 对对n型半导体，型半导体，EF高于高于q 0，如果，如果q 0以上有受主表面态，则基本以上有受主表面态，则基本 被电子填满，带负电。被电子填满，带负电。 半导体表面出现正空间电荷区，形成电子的势垒。半导体表面出现正空间电荷区，形成电子的势垒。 若若EF比比q 0高一点，表面态积高一点，表面态积 累很多负电荷，势垒高度累很多负电荷，势垒高度 qVD= Eg-q 0-En 称为被高表面态密度钉扎。称为被高表面态密度钉扎。 N型半导体与金属接

9、触时，流向金属的电子主要由表型半导体与金属接触时，流向金属的电子主要由表 面态提供。面态提供。 若半导体表面若半导体表面无表面态无表面态 Ws = +En 若存在表面态，既使不与金属接触，若存在表面态，既使不与金属接触， 也形成势垒，也形成势垒， Ws = + qVD+ En 表面态浓度很高时表面态浓度很高时 Ws = + Eg -q 0, 与受主浓度无关。与受主浓度无关。 表面态浓度很高时，可放出足够多电子，半导体势垒区几乎不表面态浓度很高时，可放出足够多电子，半导体势垒区几乎不 发生变化。使半导体表面的势垒高度几乎与金属功函数无关发生变化。使半导体表面的势垒高度几乎与金属功函数无关 当半导

10、体表面的密度很高时，可屏当半导体表面的密度很高时，可屏 蔽金属接触的影响，使半导体内的蔽金属接触的影响，使半导体内的 势垒高度与金属的功函数无关，势垒高度与金属的功函数无关， 基基 本上由半导体表面的性质决定。本上由半导体表面的性质决定。 紧密接触时，接触电势差一部分降紧密接触时，接触电势差一部分降 落在半导体表面以内，金属功函数落在半导体表面以内，金属功函数 对表面势垒产生的影响程度不大。对表面势垒产生的影响程度不大。 不难理解，当不难理解，当WMWS时，也可形成时，也可形成 N型阻挡层。型阻挡层。 7.2 金属半导体接触的整流理论金属半导体接触的整流理论-阻挡层的整流理论阻挡层的整流理论

11、金半接触动态平衡时，具有统一费米能级，无净电流流过。金半接触动态平衡时，具有统一费米能级，无净电流流过。 外加偏压外加偏压V下下, 电压主要降落在高阻电压主要降落在高阻 的阻挡层，无统一费米能级有净电流的阻挡层，无统一费米能级有净电流 流过流过 电子势垒高度电子势垒高度为为 -q(Vs) 0+V, 势垒高度势垒高度为为 -q(Vs) 0 (Vs) 0为半导体表面和内部的电势差为半导体表面和内部的电势差 N型阻挡层，型阻挡层， (Vs) 00)，势垒高度降，势垒高度降 为为-q(Vs) 0+V, 从半导体流到金属电子从半导体流到金属电子从金属流到半导从金属流到半导 体的电子体的电子, 形成形成正

12、向电流正向电流。 V越大，越大，正向电流也越大。正向电流也越大。 加反向偏压加反向偏压(V0)，（，（ (Vs) 0与与V ）同号，）同号， 势垒高度升为势垒高度升为-q(Vs) 0+V, 从半导体流到金属电子从半导体流到金属电子0, 正向电压和反向电压极性正好与正向电压和反向电压极性正好与n型阻挡层相反。型阻挡层相反。 V0 形成从形成从金属金属流到半导体的流到半导体的反向电流反向电流 正向电流均有正向电流均有多数载流子多数载流子由半导体流到金属。由半导体流到金属。 7.2.1 扩散理论扩散理论 N型半导体型半导体 设势垒宽度设势垒宽度xdln; 厚阻挡层，电子多次碰撞后通过厚阻挡层，电子多

13、次碰撞后通过 电子具有扩散和漂移运动电子具有扩散和漂移运动 )(0 )0( 02 2 xx xx qN dx Vd d d r D 半导体内电场为零，半导体内电场为零，E(xd)=0 选金属费米能级选金属费米能级Efm/(-q)为电势零点为电势零点 V(0)=- nsdx dV xE)( )()( 0 d r D d xx qN dx dV xE nsd r D xxx qN xV ) 2 1 ()( 2 0 V(xd)=-( ns+V) 而而 ns= n+ VD 2/1 00 )(2 D sr d qN VV x 2/1 00 00 )(2 D sr dVd qN V xx Xd是是V的函数

14、，当的函数，当V与与 Vs0符号相同时，势垒升符号相同时，势垒升 高，宽度高，宽度(厚度厚度)增加，增加， 厚度依赖于外加电压的势厚度依赖于外加电压的势 垒，垒，称为肖特基势垒称为肖特基势垒 )( )()( dx xdn DxExnqJ nn )()()( 0 dx xdn dx xdV Tk xqn qDn X=xd时时 ns d r D d x qN xV 2 0 2 )( )exp()( 0 0 Tk q Nnxn n cd )exp()0( 0 0 0 Tk qV nn s X=0时，V(0)=-ns nn D Tk q 0 在在x=0处，半导体与金属直接接触，处，半导体与金属直接接触

15、， 电子仍旧和金属处于平衡态。电子仍旧和金属处于平衡态。 nsd r D xxx qN xV ) 2 1 ()( 2 0 ) 1exp( 0 Tk qV JJ sD )exp()( 2 00 Tk qV VV qN J D r D sD V0, qVk0T )exp( 0T k qV JJ sD Vk0TsD JJ JsD随随电压而变化电压而变化，并不饱和。，并不饱和。 对氧化亚铜，载流子迁移率小，平均自由程短，对氧化亚铜，载流子迁移率小，平均自由程短，扩散理论适用扩散理论适用。 7.2.2 热电子学发射理论热电子学发射理论 当当n型阻挡层很薄，使型阻挡层很薄，使电子平均自由程电子平均自由程

16、xd时，电时，电 子在势垒区的碰撞可忽略。子在势垒区的碰撞可忽略。 当半导体中当半导体中电子能量电子能量E势垒高度势垒高度，可越过势垒进入，可越过势垒进入 金属。金属。 同时。金属中电子也可以进入半导体。同时。金属中电子也可以进入半导体。 通过阻挡层的通过阻挡层的电流与越过势垒的电子数目电流与越过势垒的电子数目有关，称有关，称 为为热电子发射理论热电子发射理论。 N型半导体为例，势垒高度为型半导体为例，势垒高度为-q (Vs) 0k0T, 半导体内单位体积中能量在半导体内单位体积中能量在EE+dE区间内的电子数区间内的电子数 为：为： 由于由于 2 * 2 1 nc mEE dmdE n *

17、d Tk m Tk m ndn nn ) 2 * exp() 2 * (4 0 2 22/3 0 0 dE zyx zyxn n ddd Tk m Tk m ndN ) 2 )(* exp() 2 * ( 0 222 2/3 0 0 单位体积中，速率在单位体积中，速率在 x ( x+d x)、 y ( y+d y)、 z ( z+d z)区间内区间内, 单位截面积、单位时间到达金单位截面积、单位时间到达金- 半界面的电子数为半界面的电子数为: 越过势垒，需要的最小能量为越过势垒，需要的最小能量为 )( 2 1 0 2* VVqm sxn 最小速度为最小速度为 2/1 * 0 0 )(2 n s

18、 x m VVq 从半导体到金属形成的电流密度为从半导体到金属形成的电流密度为(规定规定正方向为金正方向为金 属到半导体属到半导体) dNqJ ms x zyxn zy n d Tk m dd Tk m qn x ) 2 )(* exp() 2 * ( 0 0 222 2/3 0 0 )exp()exp( 00 2* Tk qV Tk q TA ns ) 4 ( 3 2 0 * * h kqm A n A*称为有效理查逊常数，热电子向真空中发射称为有效理查逊常数，热电子向真空中发射 A*=120A/(cm2K) 越过阻挡层越过阻挡层总的电流密度为总的电流密度为 )exp()exp( 00 2*

19、 Tk qV Tk q TA ns ms J 由于从金属到半导体的势垒高度不随外加电压变化，由于从金属到半导体的势垒高度不随外加电压变化， 从金属到半导体的电子流从金属到半导体的电子流Jms为一常数。为一常数。 应与热平衡下应与热平衡下(V=0)时的时的Jsm相等。相等。 0 Vmssm JJ)exp( 0 2* Tk q TA ns mssm JJJ 1)exp(exp( 00 2* Tk qV Tk q TA ns 1)exp( 0 Tk qV J sT)exp( 0 2* Tk q TAJ ns sT 1)exp( 0 Tk qV JJ sT 热电子发射理论与扩散理论的电流密度在形式上相

20、同；热电子发射理论与扩散理论的电流密度在形式上相同； 区别：区别：JsT与外加偏压无关，但更依赖于温度。与外加偏压无关，但更依赖于温度。 Ge, Si, GaAs等具有较高的电子迁移率，平均自由程大，等具有较高的电子迁移率，平均自由程大， 热电子发射理论与比较符合。热电子发射理论与比较符合。 7.2.3镜像力和隧道效应的影响镜像力和隧道效应的影响 在金半接触中，实际测量的电流大于在金半接触中，实际测量的电流大于 理论值。这与理论值。这与镜像力和隧道效应密切镜像力和隧道效应密切 相关。相关。 1.镜像力镜像力 在金属在金属-真空系统中，金属外面的电子在金属表面真空系统中，金属外面的电子在金属表面

21、 感应出感应出正电荷正电荷，又称为，又称为镜像电荷镜像电荷。 正正-负电荷间互相吸引的库仑力，又称负电荷间互相吸引的库仑力，又称 为为镜像力镜像力 在镜像力引起势垒降低，在镜像力引起势垒降低， 反向电压较高时，势垒降低越明显，反向电压较高时，势垒降低越明显， 镜像力的影响才显得更重要。镜像力的影响才显得更重要。 2.隧道效应隧道效应 能量低于势垒顶的电子有能量低于势垒顶的电子有一定概率穿过势垒一定概率穿过势垒，称为，称为 隧道效应隧道效应。 穿过的概率与电子能量和势垒厚度有关。穿过的概率与电子能量和势垒厚度有关。 设临界势垒厚度为设临界势垒厚度为xc, 当当xd xc时，不能随穿；时，不能随穿

22、； 当当xdxc时，对时，对电子完全透明电子完全透明； 电子可直接穿过，相当于电子可直接穿过，相当于势垒高度降低势垒高度降低。 反向电压较高时，势垒降低较明显。反向电压较高时，势垒降低较明显。 镜像力和隧道效应对反向特性影响显著，势垒高度镜像力和隧道效应对反向特性影响显著，势垒高度 降低，反向电流增加。降低，反向电流增加。 7.2.4肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 肖特基势垒二极管：利用金肖特基势垒二极管：利用金-半整流接触特性制成的二半整流接触特性制成的二 极管。极管。 与与pn结二极管相似的电流结二极管相似的电流-电压特性，即电压特性，即单向导电性单向导电性。 区别之处：区别之处： 1.

23、 pn结二极管在正向偏压下注入的少数载流子具有电结二极管在正向偏压下注入的少数载流子具有电 荷存储效应，严重地影响了其高频特性。荷存储效应，严重地影响了其高频特性。 肖特基势垒二极管正向电流是多子流入金属形成，多肖特基势垒二极管正向电流是多子流入金属形成，多 子器件。子器件。 无电子的积累现象，具有更好的高频特性。无电子的积累现象，具有更好的高频特性。 2. 对于相同的势垒高度，肖特基势垒二极管有的对于相同的势垒高度，肖特基势垒二极管有的JsD或或 JsT比比Js大得多。大得多。 肖特基势垒二极管正向导通电亚较低，约肖特基势垒二极管正向导通电亚较低，约0.3V左右左右 3.肖特基势垒二极管的应

24、用肖特基势垒二极管的应用 应用于高速集成电路、微波技术中，应用于高速集成电路、微波技术中， 如如Si TTL电路，雪崩二极管，肖特基势垒栅场效电路，雪崩二极管，肖特基势垒栅场效 应晶体管等。应晶体管等。 7. 3 少数载流子的注入和欧姆接触少数载流子的注入和欧姆接触 实际中，少数载流子的影响也比较显著。实际中，少数载流子的影响也比较显著。 对对n阻挡层，体内电子为阻挡层，体内电子为n0, 界面处电子浓度界面处电子浓度 电子的阻挡层就是电子的阻挡层就是空穴的积累层空穴的积累层。 在势垒区，空穴的浓度在表面最大，体内浓度为在势垒区，空穴的浓度在表面最大，体内浓度为p0 )exp()0( 0 0 T

25、k qV nn )exp()0( 0 0 Tk qV pp 加正向电压，势垒降低，空加正向电压，势垒降低，空 穴扩散作用占优势，形成自穴扩散作用占优势，形成自 外向内的空穴流。外向内的空穴流。 与电子电流方向一致。与电子电流方向一致。 )exp()0( 0 0 Tk qV pp 因此，因此，总电流中一部分为空穴流的贡献。总电流中一部分为空穴流的贡献。 空穴流的大小，取决于势垒高度。空穴流的大小，取决于势垒高度。 随势垒的高度增加而增加。随势垒的高度增加而增加。 7.3.2 欧姆接触欧姆接触 欧姆接触欧姆接触：金属和半导体的非整流接触。：金属和半导体的非整流接触。 理想欧姆接触的理想欧姆接触的接

26、触电阻接触电阻与半导体样品或器件相比很小。与半导体样品或器件相比很小。 电流流过时，接触上的电压降远小于样品或器件本身的电流流过时，接触上的电压降远小于样品或器件本身的 电压降。即接触不影响器件的电流电压降。即接触不影响器件的电流-电压特性。电压特性。 欧姆接触的应用欧姆接触的应用： 半导体器件一般都要利用金属电极输入半导体器件一般都要利用金属电极输入-输出电输出电 流，要求具有良好的接触。流，要求具有良好的接触。 在超高频和大功率器件中，欧姆接触是设计、在超高频和大功率器件中，欧姆接触是设计、 制造的关键问题。制造的关键问题。 欧姆接触的实现欧姆接触的实现: (不考虑表面态的影响不考虑表面态的影响) 1.形成反阻挡层：形成反阻挡层：反阻挡层没有整流作用；反阻挡层没有整流作用； 2. 选择合适的金属材料选择合适的金属材料 若若WmWs，金属，金属- P型半导体形成型半导体形成反阻挡层反阻挡层； Ge、Si、GaAs型是重要的半导体材料，一般有很型是重要的半导体材料，一般有很 高的表