金屬半導體與半導體異質接面

金屬半導體接面金屬半導體接面之前所提之pn接面為相同材料，只是摻雜種類不同的半導體相接。金屬半導體接面：可分為有整流作用的蕭特基位障（Schottkybarrier）以及非整流特性的歐姆接面(Ohmiccontact)。能帶關係（以n型半導體為例，假設

m>

s）功函數電子親和力相接時費米能階要相等，而且真空能階要連續。以金屬與n型半導體為例：電子由半導體流向金屬，半導體區留下正的施體離子，形成空乏區。真空能階：參考能階。m：金屬的功函數。s：半導體的功函數。：半導體的電子親和力能帶關係（假設

m>

s）從金屬層往半導體看之位障為：Bn又稱為蕭特基位障從半導體層往金屬看之位障為Vbi由圖可看出，Vbi

=Bn

-

Vn能帶關係（續）順向偏壓下，由金屬

至半導體之位障不變，但是由半導體至金屬

的位障減少；反之，逆向偏壓下，由金屬

至半導體之位障不變，但是由半導體至金屬

的位障增加。熱平衡狀態順向偏壓逆向偏壓(+)(-)(-)(+)蕭特基接面分析利用電荷分佈關係（對x積分），可求得電場分佈：其中順向為正，逆向為負可再求得內建電位之關係：接面電容空乏區之空間電荷面密度為：單位面積空乏區電容為：整理可得接面電容（續）以1/c2對偏壓作圖，為一斜直線，由斜率可求得摻雜濃度：另由截距可求出Vbi能帶關係(續)對金屬與p型半導體接面而言，蕭特基位障為：實際之位障與理想公式預測略有不同，主要因為實際之半導體有表面態階，會影響位障高度。一般說來，對矽與砷化鎵而言，BpBn的預測比實際低；的預測比實際高。界面態階對位障之影響假設金屬與半導體接面中間有一層很薄的氧化層，電子仍能穿透。：因界面氧化層產生的位能差假設在

0（表面電位）以上之界面態階為施體態階（即填有電子時為中性，空的時候帶有正電荷），以下為受體態階（即空的態階為中性，填滿電子時帶有負電荷）。donor

statesacceptor

states界面態階對位障之影響（續）情況二：

Dit

0，可得…….理想表示式假設界面態階界面態階密度為定值，為Dit(states/cm2-eV)：考慮兩個特殊狀況：情況一：Dit

，可得此時之位障只與能隙、表面電位有關，與金屬功函數、半導體的電子親和力無關。而費米能階變成在表面電位處，好像被釘住。Dit無法精確預測，故蕭特基位障高需由實驗決定。7.1.2

The

Schottky

Barrier電流電壓關係主要由於多數載子，和pn接面不同。主要傳導機構為熱離子發射—半導體中之電子越過位障而達到金屬。熱平衡狀態下，由金屬流向半導體的電子電流和由半導體流向金屬的電子電流相等，故淨電流為零。電流電壓關係（續）順向偏壓下，由金屬流向半導體的電子電流不變，但是由半導體流向金屬的電子電流因位障降低而增加，故有淨電流。逆向偏壓下，由金屬流向半導體的電子電流不變，但是由半導體流向金屬的電子電流因位障增加而降低，只剩少許淨電流。電流電壓關係（續）熱平衡狀態下，電子濃度為：：表面之Ec與EF的距離電子電流正比於表面電子濃度故順向偏壓下，電子濃度為故順向偏壓下的淨電流為：此式逆向偏壓也可使用，將VF改為-VR即可。電流電壓關係（續）其中A＊稱為有效Richardson常數（A/K2-cm2），與有效質量有關，因為可產

生熱離子放射的電子濃度在計算時會用到gc(E)(傳導帶狀態密度)，故與m*有關。其中飽和電流密度（順向偏壓時為正逆向偏壓時為負）n型矽為110，p型矽為32；

n型砷化鎵為8，p型砷化鎵為74。熱離子發射下，電子淨電流可表示為電流電壓關係（續）主要因半導體的有效質量不同所造成少數載子會由金屬注入，產生的電流為：與p+n接面的擴散電流相同其中在正常操作下少數載子的貢獻遠小於多數載子所貢獻的電流。（這稱為單極性元件）蕭特基接面二極體與pn二極體的比較電流產生機制不同：蕭特基接面二極體為多數載子熱離子放射pn接面二極體為少數載子擴散結果：蕭特基接面二極體的飽和電流Js要大得多，起使電壓也較大。頻率響應不同：蕭特基接面二極體為多數載子元

件，在順向偏壓下沒有擴散電容，在逆向偏壓下，也沒有少數載子

儲存電荷需要移除，所以切換速

度快，適用於高頻元件。7.1.3

The

Ohmic

Contact歐姆接面此種金屬半導體接面雙向皆可導通，且其接觸電阻遠小於半導體的串聯電阻，當電流通過時，其壓降可忽略。有兩種方式可形成：半導體為低濃度摻雜時………以n型半導體為例，使用

m

<的金屬材料；以p型半導體為s例，使用

m

>

s的金屬材料，降低位障。半導體為高濃度摻雜時………減少位障寬度，產生穿透效應。EF更靠近Ec，電子濃度更增加。小大歐姆接面的能帶圖（m<

s

）金屬與p型半導體相接（

m

>

s

）EF更靠近Ev，電洞濃度更增加。＋＋金屬接正：電子像溜滑梯由半導體流向金屬。半導體接