第七章 金属-半导体接触

第七章金属和半导体的接触

1、金属半导体接触及其能级图（1）金属和半导体的功函数

在绝对零度时，金属中的电子填满了EF以下所有能级，而高于EF的能级则全空,在一定温度下，只有EF附近的少数电子受热激发，由低于EF的能级跃迁到高于EF的能级上，但绝大部分电子仍不能脱离金属而逸出体外。

这说明金属中的电子虽然能在金属中自由运动，但绝大多数所处的能级都低于体外能级,要使电子从金属中逸出，必须由外界给它足够能量。所以，金属内部电子是在势阱中运动。金属的功函数Wm金属的功函数表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。E0(EF)mWmE0为真空中电子的能量，又称为真空能级。半导体的功函数WsE0与费米能级之差称为半导体的功函数。Ec(EF)sEvE0χWsχ表示从Ec到E0的能量间隔：称χ为电子的亲和能，它表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需要的最小能量。EnEp式中：n型半导体：Ec(EF)sEvE0χWsEnEpp型半导体：Ec(EF)sEvE0χWsEnEpn型半导体：p型半导体：设想有一块金属和一块n型半导体，并假定金属的功函数大于半导体的功函数，即：（2）接触电势差接触前：Ec(EF)sEvE0χWsEnWm(EF)mVs为表面势半导体中的电子金属—+接触后：半导体一边的势垒高度为：金属一边的势垒高度为：EnEcEv(EF)sqVDqΦnsWmχ金属与n型半导体接触接触电势差Vs=Ws-WmWm>Ws→形成表面势垒势垒区电子浓度比体内小得多→高阻区(阻挡层)。界面处的势垒通常称为肖特基势垒。若Wm<WsEc(EF)sEvE0χWsEnWm(EF)m金属与n型半导体接触时EnEcEv(EF)sqVDX-Wm能带向下弯曲。这里电子浓度比体内大得多，因而是一个高电导的区域，称之为反阻挡层。金属与p型半导体接触时，若Wm>Ws，能带向上弯曲，形成P型反阻挡层。金属与p型半导体接触时，若Wm<Ws，形成空穴的表面势垒。在势垒区，空间电荷主要由电离受主形成，空穴浓度比体内小得多，也是一个高阻区域，形成P型阻挡层。n型p型Wm>Ws阻挡层反阻挡层Wm<Ws反阻挡层阻挡层上述金半接触模型即为Schottky模型：（3）表面态对接触势垒的影响这说明：金属功函数对势垒高度影响不大不同金属，虽功函数相差很大，但与半导体接触，形成势垒的高度相差很小原因：半导体表面存在表面态从能带的角度进行解释

基本概念：表面能级：在半导体表面处的禁带中存在着表面态，对应的能级成为表面能级。施主型表面态：能级被电子占据时呈电中性，施放电子后呈正电性。受主型表面态：能级空着时为电中性，施放电子后呈负电性。表面态在半导体表面禁带中形成一定的分布电子恰好填满qΦ0以下的所有表面态-----表面呈电中性qΦ0以下的表面态空着时-----表面带正电-----施主型qΦ0以上的表面态被电子填充时-----表面带负电-----受主型-+表面态密度很大时表面积累很多负电荷能带向上弯曲表面处EF很接近qΦ0（1）流入金属的电子并不是来自于半导体体内，而是由受主表面态提供(2)半导体的表面态可屏蔽金属接触的作用，使半导体内的势垒高度和金属的功函数几乎无关。（3）接触电势差全部降落在两个表面之间。实际上：由于表面态密度的不同，接触电势差部分降落在半导体表面以内，金属功函数会对表面势垒产生影响，但影响不大。因此即使当Wm<Ws时，也可能形成n型阻挡层。整流理论-阻挡层平衡态阻挡层—无净电流2、金属半导体接触整流理论在金属和半导体之间

加上外加电压？从半导体进入金属的电子流从金属进入半导体的电子流以n型半导体为例：阻挡层为高阻区域—外加电压主要降落在阻挡层平衡态时：表面势VS<0势垒高度qVD=-qVs外加正电压：V>0则势垒高度降低为qVD，=-q(Vs+V)外加一个负电压V<0，势垒高度增加Ec(EF)sqΦns-q(Vs+V)qVD外加电压下，平衡状态被打破，金属半导体没有统一的费米能级。半导体内部费米能级和金属费米能级之差，等于由外加电压所引起的静电势能差。加正向电压，形成一股从金属到半导体的正电流，由多数载流子电子构成。加反向电压，形成一股从半导体到金属的反向电流，金属中电子需越过势垒，电流很小且恒定。（2）理论解释①扩散理论对于n型阻挡层，当势垒的宽度远大于电子平均自由程，电子通过势垒区发生多次碰撞，这样的阻挡层称为厚阻挡层。-------------扩散理论适用于厚阻挡层。势垒区存在电场，有电势变化，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。势垒区的电势分布是比较复杂的,当势垒高度远大于k0T时，势垒区可近似为一个耗尽层。耗尽层中，载流子极少，杂质全电离，空间电荷完全由电离杂质的电荷形成。若半导体是均匀掺杂的，那么耗尽层中的电荷密度也是均匀的，等于qND。当外加电压V和表面势Vs符号相同时，不仅势垒高度增加，且宽度也相应增加，势垒宽度也称为势垒厚度。这种厚度依赖于外加电压的势垒称作肖特基势垒。扩散理论适用于载流子迁移率小（平均自由程较短）的半导体—氧化亚铜

②热电子发射理论当n型阻挡层很薄，电子平均自由程远大于势垒宽度时--------扩散理论不适用，电子在势垒区的碰撞可以忽略。势垒形状不再重要----------势垒的高度起绝对作用。电流的计算归结为计算超越势垒高度的载流子数目。其中A*为有效理查逊常数。热电子发射理论适用于具有较高载流子迁移率（比较大自由程）的半导体---如Si、Ge、GaAs。

③镜像力和隧道效应的影响实际上电流随反向电压的增加比理论值更为明显。原因：采用了高度理想模型如精确描述性能需考虑镜像力和隧道效应的影响。镜像力和隧道效应对伏-安特性的影响基本相同。它们引起势垒高度的降低，使反向电流增大，且随反向电压提高，势垒降低更为明显。若电子距金属表面的距离为x，则它与感应正电荷之间的吸引力，相当于该电子与位于(–x)处的等量正电荷之间的吸引力，这个正电荷称为镜像电荷。在金属–真空系统中，一个在金属外面的电子，要在金属表面感应出正电荷，同时电子要受到正电荷的吸引。（1）镜像力的影响镜像电荷电子–x´nx镜像电荷这个吸引力称为镜像力，它应为把电子从x点移到无穷远处，电场力所做的功半导体和金属接触时，在耗尽层中，选(EF)m为势能零点，由于镜像力的作用，电子的势能qΔΦqΦns(EF)m0无镜像力有镜像力xm镜像势能平衡时镜像力对势垒的影响x电势能在xm处出现极大值，这个极大值发生在作用于电子上的镜像力和电场力相平衡的地方，即若,从上式得到势垒顶向内移动，并且引起势垒的降低q

。势能的极大值小于qΦns。这说明，镜象力使当反向电压较高时，势垒的降低变得明显，镜像力的影响显得重要。镜像力所引起的势垒降低量随反向电压的增加而缓慢地增大不考虑镜像力的影响时考虑镜像力的影响时JsD中的变为V,JsD

（2）隧道效应的影响能量低于势垒顶的电子有一定概率穿过势垒，穿透的概率与电子能量和势垒厚度有关隧道效应的简化模型对于一定能量的电子，存在一个临界势垒厚度xc,若xd>xc,则电子完全不能穿过势垒；若xd<xc,则势垒对于电子完全透明，即势垒降低了.金属一边的有效势垒高度为-qV(x),若xc<<xd隧道效应引起的势垒降低为反向电压较高时，势垒的降低才明显④肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管：利用金属-半导体整流接触特性制成的二极管。肖特基势垒二极管与pn结二极管的区别：（1）多数载流子器件和少数载流子器件（2）无电荷存贮效应和有电荷存贮效应（3）高频特性好。（4）正向导通电压小。P电子扩散区结区空穴扩散区N

3少数载流子的注入与欧姆接触①少数载流子的注入n型阻挡层，体内电子浓度为n0。金半接触截面电子浓度：该浓度差引起电子由内部向接触面扩散。平衡时扩散和势垒电场引起的漂移抵消。正向偏压下，扩散占据优势，电子向表面流动，形成正向电流。多子的情况空穴的浓度在表面最大

n型半导体的势垒和阻挡层都是对电子而言，由于空穴所带电荷与电子电荷符号相反，电子的阻挡层就是空穴的积累层。少子的情况该浓度差引起空穴由表面向体内扩散。平衡时扩散和势垒电场引起的漂移抵消。正向偏压下，扩散占据优势，空穴向体内流动，也形成正向电流。

空穴电流的大小，首先决定于阻挡层中的空穴浓度。只要势垒足够高，靠近接触面的空穴浓度就可以很高。由以上讨论可知：部分正向电流是由少数载流子空穴荷载的。Ec(0)Ev(0)EcEFEvn型反型层中的载流子浓度如果在接触面附近，费米能级和价带顶的距离则p(0)值应和n0值相近，n(0)也近似等于p0Ec(0)Ev(0)EcEFEvn型反型层中的载流子浓度势垒中空穴和电子所处的情况几乎完全相同，只是空穴的势垒顶在阻挡层的内边界。

在加正向电压时，空穴将流向半导体，但它们并不能立即复合，必然要在阻挡层内界形成一定的积累，然后再依靠扩散运动继续进入半导体内部。(EF)mEc积累扩散少数载流子的积累(EF)s上图说明这种积累的效果显然是阻碍空穴的流动。因此，空穴对电流贡献的大小还决定于空穴进入半导体内扩散的效率。在金属和n型半导体的整流接触上加正电压时，就有空穴从金属流向半导体。这种现象称为少数载流子的注入。

空穴从金属注入半导体，实质上是半导体价带顶部附近的电子流向金属，填充金属中(EF)m以下的空能级，而在价带顶附近产生空穴。②欧姆接触定义：不产生明显的附加阻抗，不会使半导体内部载流子浓度发生显著改变。技术路线设计：反阻挡层？隧道效应？半导体在重掺杂时，和金属的接触可以形成接近理想的欧姆接触。在半导体上制作一层重掺杂区后再与金属