第七章金属和半导体接触 (2)

1、施洪龙 电话：68930256 半导体物理 地址：中央民族大学1#东配楼 目录 第一章 半导体中的电子状态 第二章 半导体中的杂质和缺陷 第三章 载流子的统计分布 第四章 半导体的导电性 第五章 非平衡载流子 第六章 pn结 第七章 金属和半导体的接触 第八章 半导体异质节 第九章 半导体中的光电现象 第十章 半导体中的热电形状 第十一章 半导体中的磁-光效应 第七章 金属和半导体的接触 在半导体上沉积一层金属，形成紧密接触，称为金属-半导体接触。 半导体的主要特性就是单向导电性； 其伏安特性随着掺杂的改变而改变； 低掺杂 重掺杂 重掺杂下，无论是正向还是反向电压， 电流都会随电压的增大而迅速

2、增大， 等效于一个很小的电阻； 具有良好单向导电性的金属-半导体接触 称为肖特基势二极管(SBD)； 具有良好导电性的金属-半导体接触称为 欧姆接触。 第七章 金属和半导体的接触 肖特基二极管与pn结相似，但又有不同，在微波技术，高速集成电 路上有着广泛的应用； 半导体器件都需要金属电极的输入输出，要求金属-半导体有良好 的欧姆接触，在超高频、大功率电器中欧姆接触极为关键。 金属内部有大量导电的电子，基本填 充了导带上的所有能级，再高的能级 基本是空着的； 金属的特征 费米能级就是电子填充与否的标志； 这些电子一直都在不停的剧烈运动， 但能量不够高，还不能脱离金属；一 运动到表面就被散射回体内

3、。 第七章 金属和半导体的接触 金属的特征 电子只有被热激发到更高的空能级上，才可能逃逸出金属，称为热 电子发射。 阴极管是种典型的热电子发射。加热阴极，使大量电子激发到空能 级上，进而逃出金属。 电子逃出金属所需的最小能量就是费米面到真空能级的能量，称为 功函数。 真空能级：真空中电子的最低能量(静止时) 热电子发射电流正比于 功函数越小，金属的费密能级越高 功函数表征电子被金属束缚的强弱。 第七章 金属和半导体的接触 金属的功函数在几个电子伏范围内：1.9-5.4 eV 第七章 金属和半导体的接触 半导体的费米能级受杂质浓度的影响； 电子亲和能：导带底的电子逃逸出体外所需的能量； 半导体的

4、功函数可写为： 第七章 金属和半导体的接触 第七章 金属和半导体的接触 如果用导线将金属-半导体连起来，半导体中 的电子流入金属中； 设想有一块金属和n型半导体，它们有共同的真空能级，假设金属 的功函数大于半导体的功函数。 M S 半导体的费米面高于金属的费米能级； 使金属表面带负电，半导体表面带正电； 当两者具有统一费米能级时，达到动态平衡； 电势能的改变功函数的差异 接触电势差为： 接触而产生的电势差！ 第七章 金属和半导体的接触 随着接触距离变短，靠近半导体一侧的金属表面负电荷密度增大， 靠近金属一侧的半导体表面正电荷密度增大； 由于半导体内电离中心移动的限制，正电荷分布在半导体表面很厚

5、 的表面层内，称为空间电荷区。 金属一侧空间电荷区很窄，因为金属内电子浓度很高。 在空间电荷区形成的电场是阻止体内 的电子向半导体界面的进一步流动， 形成势垒，所以能带上翘； 势垒高度为体内电子流到界面上势能 的增加值； 第七章 金属和半导体的接触 金属一边的势垒高度为： 金属与半导体接触时， WmWs，半导体表面形成正的空间电荷区，其电场方向由体内指 向界面，Vs0，使半导体表面电子的能量高于体内，能带上翘形 成表面势垒。在表面处势垒区电子浓度很低，是高阻区，常称阻挡 层； Wm0，能带下翘。在该区域电子浓度很高，称为反阻挡 层。 第七章 金属和半导体的接触 反阻挡层是很薄的高电导层，它对半

6、导体-金属接触电阻的影响很 小，所以反阻挡层在实验中很难观察到。 金属-p型半导体接触 WmWs，能带上翘形成p型反阻挡层； WmWs，能带下翘造成空穴势垒，形成p型阻挡层。 第七章 金属和半导体的接触 实验表明，不同的金属虽然功函数相差很大，但与半导体接触后所 形成的势垒高度相差很小，这是与半导体的表面态相关。 在半导体表面处的禁带中存在着表面态，对应的能级称为表面能级。 受主型：含有空穴，未电离时呈电中性，电离后带负电。 表面态 施主型：被电子占据，电离后带正电； 通常，表面态位于禁带宽度的1/3处； 如果 以上存在受主表面态，则 到EF的能级几乎被电子填满； 在半导体表面出现正的空间电荷

7、区，所形 成势垒高度恰好与表面态上的负电荷与势 垒区正电荷数相等。 如果表面态密度很高，表面态上就会积累 很多的负电荷，此时势垒高度称为高表面 态密度钉扎。 第七章 金属和半导体的接触 当半导体表面态密度很高时，能屏蔽金属接触的影响，使半导体内 的势垒高度和金属的功函数几乎无关； 接触电势差全部降落在两个表面之间； 第七章 金属和半导体的接触 处于平衡态的阻挡层中是没有净电流流过的：从半导体流入金属的 电子和从金属流入半导体的电子数相等，方向相反。 外加电压V，压降全落在阻挡层上，电子势垒高度为： 半导体-金属间的费密能级发生劈裂，能级差等于外加电压所引起 的静电势能差。 加正向电压，半导体一

8、侧势垒降低为 ，出现从半导 体到金属的净电流； 外加正向电压越高，势垒下降越多，正向电流越大。 第七章 金属和半导体的接触 外加反向电压，势垒增高到 ，从半导体到金属的电 子数减小，出现由金属到半导体的反向电流； 金属中的电子需要越过的 势垒才能进入半导体，故反向电流较 小。 由于金属一侧的势垒不随外加电压改变，所以从金属到半导体的电 子流是恒定的，即具有类似于pn结的整流作用。 第七章 金属和半导体的接触 n型阻挡层很薄时，起决定作用的是势垒高度。热电子发射就是热 激发下体内电子越过表面势垒的载流子。 单位能量球壳能的电子数为： 电子的速度为v， 在单位体积单位速度范围内的电子数！ 第七章

9、金属和半导体的接触 麦克斯韦速度分布 这些电子需要越过势垒才能进入金属： 从半导体到金属的电流为： 有效Richadson常数 第七章 金属和半导体的接触 有效Richadson常数 电子从金属到半导体的势垒不随外加电压改变： 总电流密度为 与外加电压无关，与温度相关(热发射) 第七章 金属和半导体的接触 金属-半导体接触具有整流特性的二极管称为肖特基势垒二极管。 pn结正向导通时，由p区注入n区的空穴和由n区注入p区的电子都 是少数载流子。它们先在结区边界上有一定积累，再向体内扩散形 成电流。 这种非平衡载流子的积累又称电荷存储效应，会严重影响到pn结的 高频性能。 肖特基势垒二极管的正向电

10、流是由多数载流子流入金属形成； 正向导通时，从半导体越过界面进入金属的电子并不发生积累，而 是直接漂移过去称为漂移电流，故具有更好的高频特性。 在相同势垒高度下，肖特基二极管的反向饱和电流要比pn大得多， 说明肖特基二极管具有较低的正向导通电压。 第七章 金属和半导体的接触 所以，肖特基势垒二极管在高速集成电路、微波技术等领域都有很 重要的应用； 用金属-半导体势垒作为控制栅极，制成肖特基势垒栅场效应管。 GaAs势垒栅场效应晶体管的功率和噪声性能能比GaAs晶体管好！ 第七章 金属和半导体的接触 扩散理论给出了电流产生的原因： 对于n型阻挡层，体内电子浓度为n0，接触界面处的电子浓度为： 说

11、明接触电势差越大，体内载流子通过阻挡层向接触面扩散的电子 越少；在同一金属-半导体接触中，体内和界面的电子浓度差异引 起电子由体内向接触面扩散，平衡时正好把势垒中的内建电场抵消； 加正向电压，势垒降低，内建电场作用减弱，扩散占优势，使电子 向接触面流动形成正向电流。 第七章 金属和半导体的接触 扩散理论给出了电流产生的原因： 对于n型阻挡层，空穴为少数载流子，电子的阻挡层就是空穴的积 累层，接触面上空穴的浓度为： 接触面上空穴浓度高，而体内浓度低，使得空穴从界面向体内扩散， 平衡时也恰好被电场作用抵消 加正向电压时，势垒降低，空穴扩散占主导，形成由接触面到体内 的空穴电流； 该电流与电子电流方

12、向一致，正向电流有一部分是由少数载流子空 穴提供的。 第七章 金属和半导体的接触 空穴电流的大小取决于阻挡层中的空穴浓度；当势垒足够高VD时， 接触面上的空穴浓度就很高； 平衡时，如果费米面正好处于禁带中线处，说明阻挡层内的电子浓 度和空穴浓度相当，此时空穴电流不能忽略； 加正向电压，空穴将由金属流向半导体，先在阻挡层内不断积累， 再向半导体的体内扩散； 扩散越快，少数载流子产生的电流越大，该现象称为少数载流子的 注入。 空穴从金属注入半导体，相当于半导体价 带顶部附近的电子流向金属，填充金属费 米能级以下的空能级，在半导体价带顶留 下空穴。 第七章 金属和半导体的接触 探针接触分析表明，如果

13、接触球面半径越小(探针的曲率半径)，注 入少数载流子的扩散要比平面接触强很多； 点接触容易得到高效率的少子注入，所以少数载流子的注入及测试 实验中应尽量采用探针接触； 在用金属电极与半导体接触测半导体电阻率时，应尽量避免少数载 流子的注入，应尽量增大表面复合。 第七章 金属和半导体的接触 还有一种金属-半导体的接触，属于非整流接触； 不产生明显的附加阻抗，不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生 显著改变。 理想的欧姆接触要求接触电阻比半导体或器件本身小很多，电流流 过时，欧姆接触上的电压降远小于器件上的压降，几乎不影响器件 的I-V属性。 欧姆接触是超高频、大功率器件设计和制造的关键问题。 第七章 金属和半导体的接触 不考虑表面态的影响： 当 ，金属和n型半导体接触可形成反阻挡层； 当 ，金属和p型半导体接触可形成反阻挡层； 反阻挡层没有整流作用，可以通过选用合适功函数的金属形成欧姆 接触； 但最常见的半导体都有很高的表面态密度，与金