半导体物理 第七章 金属和半导体的接触

第七章金属和半导体的接触ContactbetweenMetalandSemiconductor哈尔滨工业大学微电子科学与技术系重点：1、阻挡层与反阻挡层的形成2、肖特基势垒的定量特性3、欧姆接触的特性§7.1金属-半导体接触和能带图ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram学习重点：功函数电子亲和势接触电势势垒阻挡层与反阻挡层哈尔滨工业大学微电子科学与技术系MetalInsulatorSemiconductorSemicoductor(a)基于平面工艺的金属-半导体接触结构透视图(b)金属-半导体接触结构一维结构图Metal1、金属和半导体的功函数金属功函数Wm：起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量。

Wm=E0-(EF)m半导体功函数Ws

：真空能级与半导体费米能级之差。

Ws=E0–(EF)s电子亲合能χ：半导体导带底的电子逸出体外所需的最小能量。E0EcEvWsχEn(EF)sWm(EF)m2、接触电势差假设金属和n型半导体相接触，且Wm>WsE0EcEvWsχEn(EF)sWmEFm接触势垒：故接触电势差3、理想金属–半导体接触E0EcEvWsχEnEFsWmEFmqφns=Wm-χE0EcEvWsχEnEFsWmEFmqφns=Wm-χqVD=Wm-Ws金属与半导体材料紧密接触。热平衡条件下，两种材料具有统一的费米能级，同时真空能级具有连续性。金属-半导体接触能带结构如图所示。导带底电子向金属运动时必须越过的势垒高度：

qVD=Wm–Ws

金属一侧的电子运动到半导体一侧需要越过的势垒高度：

qφns

=Wm-χ金属-半导体接触的重要参数：肖特基势垒（1）理想金属-半导体接触能带结构理想金属-半体接触由三个区域组成：

①金属电子积累区

②半导体空间电荷区

③半导体中性区在耗尽层近似条件下：（2）理想金属-半导体接触静电特性①②③空间电荷密度ρ(x)0xdx0xdx0xdx0xdx

qND

ND

ni2/ND

n(x)

p(x)

n0

p0

V(x)

E(x)

qVDρ(x)0xdx0xdx0xdx0xdx

qND

ND

ni2/ND

n(x)

p(x)

n0

p0

V(x)

E(x)

qVD①②③空间电荷区电场强度空间电荷区电势分布空间电荷区宽度设半导体中性区电势为零ρ(x)0xdx0xdx0xdx0xdx

qND

ND

ni2/ND

n(x)

p(x)

n0

p0

V(x)

E(x)

qVD①②③空间电荷区载流子分布（a）电子阻挡层：Wm>Ws（1）金属-n型半导体接触E0EcEvWsχEnEFsWmEFmEFs电子阻挡层界面EF电子阻挡层界面EF电子阻挡层界面EvEvqVDqφm金属一侧的势垒qφm=Wm-χ半导体一侧的势垒qVD=Wm-Ws（b）电子反阻挡层：Wm<WsEFsE0EcEvWsχEnWmEFmEF电子反阻挡层界面EcEvqVD=Ws-WmXD（a）空穴阻挡层：Wm<Ws（2）金属-p型半导体接触E0EcEvWsχWmEFmEFs空穴能量半导体一侧势垒：qVD=Ws-Wm空穴阻挡层EcEvEFqVD=Ws-WmXD（b）空穴反阻挡层：Wm>WsE0EcEvWsχWmEFmEFs空穴反阻挡层EcEvEFXD4、阻挡层与反阻挡层（a）电子阻挡层：Wm>Ws（b）电子反阻挡层：Wm>Ws（1）金属-n型半导体接触（a）空穴反阻挡层：Wm>Ws（b）空穴阻挡层：Wm>Ws（2）金属-p型半导体接触5、表面态对接触势垒的影响由于晶格周期性在表面处中断而出现的局（定）域在表面附近的电子态。表面态：

与表面态相应的能级称为表面能级。表面能级：受主型表面态：施主型表面态：

表面能级接受电子后带负电，称为~。

表面能级释放电子后带正电，称为~。§7.2金属-半导体接触整流理论RectificationTheoryofMetal-SemiconductorContact学习重点：阻挡层的整流特性和整流理论

欧姆接触哈尔滨工业大学微电子科学与技术系1、阻挡层的整流特性——外加电压对阻挡层的作用VI0EF电子阻挡层界面EvEvqVDqφmE0EcEvWsχEnWmEFmEFs净电流J=Js→m

–Jm→s=0接触前接触后（V=0）外加正向偏压（金属一侧接正极）外加反向偏压（半导体一侧接正极）N型MetalN型Metal2、整流理论（1）扩散理论：xd>>ln（2）热电子发射理论：xd<<ln（1）扩散理论

xd>>ln时，电子通过势垒区将发生多次碰撞。势垒高度qVD>>k0T时，势垒区内的载流子浓度近似等于零。耗尽层中的电荷密度：（1）

即（2）

代入泊松方程（3）

利用边界条件：由（1）-（4）式及积分得到（4）（5）（6）（7）因为x=0时当外加偏压V时,由此可见，xd

随外加电压的变化而变化Schottky势垒这种势垒宽度随外加电压的变化而变化的势垒就是Schottky势垒。所以势垒区电流密度方程：在等式两边同乘因子，得（8）（9）外加偏压一定，即稳态情况时J与x无关，对（9）式积分得：边界条件如下：金属-半导体接触扩散理论电流电压方程：其中讨论（1）V>0时如果（2）V<0时如果VI0Mg2Si-nSi与Al-nSi肖特基二极管V-I特性（2）热电子发射理论

xd<<ln时，电子通过势垒区的碰撞可以忽略。当电子动能大于势垒顶部时，电子可以自由越过势垒进入另一边——热电子发射。假设qVD>>k0T。（a）Js→m

（b）Jm→s

（c）J=Js→m

-Jm→s（a）Js→m：单位体积中，能量在E~E+dE范围内的电子数为：利用又则假设电流沿x方向流动，因此只有速度分量vx对电流有贡献，同时vx需满足以下条件：即电子的最小速度：于是，式中，（b）Jm→s：

金属一侧的势垒qφns是恒定的，所以Jm→s是恒定的。V=0时，Js→m+Jm→s=0从而Jm→s=-Js→m

（V=0）

（c）总电流密度J其中扩散理论与热电子理论的差异JSD随外加电压而变化；对温度的敏感程度不如JST。JST与外加电压无关；对温度很敏感

。实际情况反向电流不饱和VI0VI0理想情况反向电流饱和（3）镜象力和隧道效应的影响镜象力的影响-x0+xx感应镜

象电荷感应电荷对电子产生库仑吸引力：产生的电子附加势能为：（1）（2）（3）对于金-半接触势垒中的电子，附加势能为：将势能零点选在(EF)m，由于镜象力的作用，电子所具有的电势能为：（4）无镜象力有镜象力xmx0镜象势能将（3）式代入（4）式，则在xm处的电势降落为：可见反向偏压和掺杂较高时将导致势垒最高点降落值

增大。半导体侧有效势垒高度金属一边有效势垒高度隧道效应的影响隧道效应原理：能量低于势垒顶的电子有一定几率穿过这个势垒，穿透的几率与电子能量和势厚度有关。①势垒高度对隧道穿透几率的影响金属一边的有效势垒高度为：V>0时V<0时减小增大|V|↑|V|↓理想偏离理想②隧道厚度对隧道穿透几率的影响隧道穿透的临界厚度为：如果势垒厚度小于xc，则势垒对于电子是完全透明的，电子可以直接通过它。金属一侧的有效势垒高度是-qV(xc)，若xc<<xd，则隧道效应引起的势垒降低为：3、肖特基二极管与pn结二极管的比较肖特基二极管与pn结二极管正向特性比较肖特基二极管为多子器件，不存在pn结二极管中非平衡载流子的电荷存贮效应，具有较好的高频特性。肖特基二极管的正向导能电压低于pn结二极管。§7.3少数载流子的注入和欧姆接触RectificationTheoryofMetal-SemiconductorContact学习重点：少数载流子的注入

欧姆接触哈尔滨工业大学微电子科学与技术系1、少数载流子的注入金属-n型半导体形成肖特基结，其正向电流包括：半导体导带电子→金属；