金属半导体接触

1、第七章、金属-半导体接触 本章在已知半导体结构及JV方程后，讨论金属与半导体接触的特性。目的：？2010年12月21日星期二 第*1页主要内容：金属半导体接触及其能级图金半接触整流理论及肖特基接触欧姆接触2010年12月21日星期二 第*2页9、金属和半导体接触主要有几种？举例给出它们的形成条件，并定性画出它们的能带图。(2008) 13（20分）一型半导体Si样品电阻率为0.4 -cm（300）。要制备一个肖特基结（金属半导体整流接触），有如下两种金属，功函数分别为：l：4.20，：5.4。选择合适的金属，给出选择的理由。并计算金属一侧的势垒高度qms和半导体一侧的势垒高度qVD。（2007

2、）2010年12月21日星期二 第*3页7.1 金属-半导体接触及其能带图金属-半导体接触可以分成两类，一类是整流接触，一类是欧姆接触一、金属和半导体的功函数电子从费米能级到真空所需要的能量。Wm=E0-(EF)m电子的亲和势：=E0-EC半导体中：Ws=+EC-EFs=+En2010年12月21日星期二 第*4页 2010年12月21日星期二 第*5页二、金属-半导体接触势垒由于金属与半导体的功函数不同，它们相互紧密接触时，会产生接触电势差。接触势垒金属与N型半导体接触，WmWs 时当它们紧密接触时，电子会从费米能级高的地方向低的地方流动，所以半导体中电子会向金属中流动，使金属表面荷负电，电

3、子能量提高，而半导体表面形成正的空间电荷区；当整个系统这到平衡时，金属和半导体形成统一的费米能级。2010年12月21日星期二 第*6页 2010年12月21日星期二 第*7页有关几个名词：金-半接触电势差Vms：金属与半导体内的电位差接触过渡区上的压降V半导体侧电势差VD：半导体表面与体内的电势差金属侧势垒qm：多子从金属向半导体一侧运动时的势垒有如下关系： qVms= Wm-WsVms= V + VD VmsVDqm = Wm -(对N型半导体而言)从上面的讨论知道，金属与N型半导体接触，当WmWs 时：势垒区中的表面附近的能带向上弯曲，半导体表面电子浓度比体内小得多，为多子(电子)耗尽，

4、因此，它是一个高阻区；多子(电子)在金属和半导体两边转移时，都需要克服一定的势垒，故，通常也将之称为多子阻挡层。肖特基势垒：由半导体一侧空间电荷区的电场形成的势垒2010年12月21日星期二 第*8页金属与N型半导体接触，WmWs 时此时，电子将从金属流向半导体，在半导体表面形成负的空间电荷层，使得半导体侧电子能量提高；在空间电荷区中表面附近能带向下弯曲，电子浓度将比体内的平衡浓度大得多，它是多子(电子)积累层，是一个高电导层；这种情况下，多子（电子）在两种材料中的相互转移，不需要越过势垒就可以运动到对方，通常称为多子反阻挡层。2010年12月21日星期二 第*9页 金属与P型半导体接触，Wm

5、Ws 时当接触时，半导体中电子向金属中移动，金属侧的电子能量提高，而在半导体表面形成带正电的空间电荷区，空间电荷区中表面附近的能带向上弯曲；在表面附近，空穴浓度高于体内，为多子（空穴）积累，空间电荷区是高电导层，此时形成的是多子反阻挡层。2010年12月21日星期二 第*11页 表面态的影响实际情况不能形成良好的欧姆接触，即，反阻挡层？表面态产生的原因？分类：施主型表面态、受主型表面态位置：？影响：？2010年12月21日星期二 第*12页 2010年12月21日星期二 第*13页总结实际经验发现，对于不少常用半导体， EFs0常位于EC以下2/3Eg处，所以，一般无论是N型半导体还是P型半导

6、体，由于表面态的存在，都将在表面形成多子的阻挡层。当表面态密度足够高， 则整个金-半接触系统的费米能级将由表面态费米能级决定，这种情况称为费米能级的钉扎。此时：金属侧的势垒高度qm 为： qm Wl半导体侧的势垒高度qVD 为：qVD = EF0- EFs0= Wl-Wm这时金半两侧的势垒高度皆为与金属的功函数Wm无关2010年12月21日星期二 第*14页二、金属半导体接触的整流特性金属-半导体接触形成阻挡层后具有类似pn结的整流特性，把它称作肖特基结。对其伏安特性的研究，目前主要有两种理论，热电子发射理论和扩散理论。下面以N型半导体、表面势垒为电子阻挡层为例介绍此两种理论。热电子发射理论条

7、件：当载流子迁移率较高，相应的平均自由程ln很大，以至于远远大于势垒区厚度xD时(ln xD)适用于此理论。此时，电子在势垒区的碰撞可以忽略，对于电子而言，势垒的形状并不重要，起决定作用的是势垒顶点的高度半导体体内的电子只要有足够的能量超过势垒的顶点，就可以自由地通过阻挡层进入金属；同样，金属中能超越势垒顶的电子也能达到半导体体内；所以电流的计算就归纳为计算超越势垒的载流子数目，这就是热电子发射理论。2010年12月21日星期二 第*15页由第三章知道，对于非简并半导体，单位体积中能量在E E+dE中的电子数目为：上式表示的是按数率分布的球坐标系中，速度在vv+dv 球壳中的电子数目；显然在单

8、位体积中，速度在vxvx+dvx、vyvy+dvy 、vz vz+dvz内的电子数目为：2010年12月21日星期二 第*16页取垂直于界面由半导体指向金属的方向为vx 的正方向，显然就单位截面积而言，大小为vx的体积中，在其内的所有电子，单位时间内都可以达到金属和半导体的界面：这些电子总数为：dN = vx.1.1.dn 在半导体侧的这些电子中，有能力越过势垒到达金属的电子，其vx 必须达到：2010年12月21日星期二 第*17页即：仅有vx在vx0,+ 范围内的电子可以越过势垒，所以，单位时间内，达到金-半界面的电子数为：这时所形成的电流为：电子从金属向半导体运动（发射）时遇到的势垒高度

9、为q m ，不随外加电压而改变， 故电流是个恒定值，它在热平衡时(V=0)与从半导体运动（发射）到金属的电子流相抵消，即：2010年12月21日星期二 第*18页电流的表达式还可以写成以下形式：2010年12月21日星期二 第*19页讨论：电流通过热电子发射过程的输运： Si、Ge、GaAs材料的载流子迁移率较高，热电子发射理论对它们比较适用。 2010年12月21日星期二 第*20页扩散理论当载流子迁移率比较低，以至平均自由程ln远小于势垒区宽度xD时(ln xD )，电子通过势垒区要发生多次碰撞，这时适用于此理论。2010年12月21日星期二 第*21页通过势垒的电流密度。根据电流密度方程

10、2010年12月21日星期二 第*22页假定半导体是非简并的。体内浓度仍为n0.X=0,V(0)=-ns. 2010年12月21日星期二 第*23页 2010年12月21日星期二 第*24页 讨论：其饱和电流不饱和，随外加电压V变化。 扩散理论适用于一些载流子迁移率较低的材料，例如CdS等。2010年12月21日星期二 第*25页肖特基结的特点 肖特基结的电流主要是多子电流少子注入以金属N型半导体接触为例，正向偏置下，在电子由半导体侧发射到金属侧形成多子电流的同时，金属中费米能级附近的空穴也可以跨越势垒Eg-qm，由金属进入半导体形成少子电流，注入的少子在结边界处积累，形成浓度梯度并向体内扩散

11、，在扩散过程中同时与多子复合，转化为多子电流。2010年12月21日星期二 第*26页 肖特基结的正向压降小肖特基结的反向漏电流大，不饱和，而且温度升高，漏电流迅速增大。 同样的正向电流下，肖特基结的正向压降小，一般为0.3V左右而Sipn结一般为0.7V左右2010年12月21日星期二 第*27页三、金属-半导体欧姆接触任何半导体器件最后都要用金属与之接触，并由导线引出，因此，获得良好的欧姆接触是十分必要的。 欧姆接触的要求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变化获得欧姆接触的几种途径 反阻挡层是理想的欧姆接触2010年12月21日星期二 第*28页然而Si、Ge、GaAs这些最重要的半导体材料，一般都有很高的表面态密度，无论是N型材料还是P型材料与金属接触都形成多子阻挡层，而与金属的功函数关系不大，因此，实际上这个方法并不成功2010年12月21日星期二 第*29页 利用隧道效应制成的欧姆接触提高表面杂质浓度，利用隧道效应制成的欧姆接触，这是目前在生产实践中主要使用的方法2010年12月21日星期二 第*30页如果半导体掺杂浓度很高，金-半接触时产生的势垒区宽度变得很薄，电子通过隧道效应产生相当大的隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分，当隧道电流占主导地位时，它的接触电阻可以很小，可以用作欧姆接触。2010年12月