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1、第 七 章,金 属 和 半 导 体 的 接 触 Metal-Semiconductor Contact,7.1 金属-半导体接触及其能带图,一、概述：,1、在微电子和光电子器件中，半导体材料和金属、半导体以及绝缘体的各种接触是普遍存在的，如MOS器件、肖特基二极管、气体传感器等。薄膜技术及纳米技术的发展，使得界面接触显得更加重要。,二、金属和半导体的功函数Wm 、Ws,1、金属的功函数Wm,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。,功函数大小标致电子在金属中被束缚的强弱,2、半导体的功函数Ws,E0与费米能级之差称为半导体 的功函数。,用表示从Ec到
2、E0的能量间隔：,称为电子的亲和能，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。,Note: 和金属不同的是，半导体的费米能级随杂质浓度变化，所以，Ws也和杂质浓度有关。,故常用亲和能表征半导体,3、金属/半导体接触(理想接触）,三、金属与半导体的接触及接触电势差,1. 阻挡层接触,即半导体的费米能EFs 高于金属的费米能EFm,金属的传导电子的浓度 很高，10221023cm-3 半导体载流子的浓度比 较低，10101019cm-3,金属半导体接触前后能带图的变化：,在接触开始时，金属和半导体的间距大于原子的 间距，在两类材料的表面形成电势差Vms。,接触电势差：,紧密接触后，电
3、荷的流动使得在半导体表面相当 厚的一层形成正的空间电荷区。空间电荷区形成 电场，其电场在界面处造成能带弯曲，使得半导 体表面和内部存在电势差，即表面势Vs。接触电 势差分降在空间电荷区和金属与半导体表面之间 。但当忽略接触间隙时，电势主要降在空间电荷 区。,现在考虑忽略间隙中的电势差时的极限情形:,半导体一边的势垒高度为：,金属一边的势垒高度为：,半导体体内电场为零，在空间电荷区电场方向由内向外，半导体表面势Vs0,在势垒区，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度比体内小得多，是一个高阻区域，称为阻挡层。界面处的势垒通常称为肖特基势垒。,2. 反阻挡层接触,设想有一块金属和一块n型半导体，并假定
4、 金属的功函数小于半导体的功函数，即：,即半导体的费米能EFs低于金属的费米能EFm,金属和半导体接触时，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区，电场方向由表面指向体内，Vs0, 能带向下弯曲。在表面的空间电荷区，电子浓度高于体内，高电导区，称为反阻挡层。,金属与P型半导体接触时，若WmWs，即金属的费米能级比半导体的费米能级高，半导体的多子空穴流向金属，使得金属表面带正电，半导体表面带负电，半导体表面能带向下弯曲，形成空穴的表面势垒。,金属p型半导体接触的阻挡层,在半导体的势垒区，空间电荷主要由负的电离受 主形成，其多子空穴浓度比体内小得多，也是一 个高阻区域，形成空穴阻挡层
5、。,金属和p型半导体WmWs 空穴阻挡层,半导体一边的势垒高度是：qVD=Ws-Wm,金属p型半导体接触的反阻挡层,金属与P型半导体接触时，若WmWs，即金属的费米能级比半导体的费米能级低，半导体的电子流向金属，使得金属表面带负电，半导体表面带正电，半导体表面能带向上弯曲。在半导体表面的多子（空穴）浓度较大，高电导区，形成反阻挡层。,3、金属半导体接触的阻挡层,所谓阻挡层，在半导体的势垒区，形成的空间电 荷区，它主要由正的电离施主杂质或负的电离受 主形成，其多子电子或空穴浓度比体内小得多， 是一个高阻区域，在这个区域能带向上或向下弯 曲形成电子或空穴的阻挡。,表面态就是局域在表面附近的新电子态
6、。它的存 在导致表面能级的产生。 表面能级：与表面态相应的能级称为表面能级。,由于晶体的不完整性使得势场的周期性受到破坏 ，在禁带中产生附加能级。,理想晶体自由表面达姆表面能级(1932年) 晶体表面缺陷或吸附原子附加表面能级,四、表面态对接触势垒的影响,实验表明，金半接触时的势垒高度受金属功函数 的影响很小。这是由于半导体表面存在表面态造 成的。, 电子刚好填满EFS0 以下的所有表面态时，则 表面呈电中性,表面态局域电子的特性。 当EFS0 以下的表面态空着时，即没有被电子占据 时，表面呈正电，为施主型； EFS0上面表面态被电子占据时，半导体表面为 负电，是受主型。,设一个n型半导体的表
7、面存在表面态。半导体的费米能级EF 高于表面能级Efs，如果Efs以上存在受主表面态，则会导致如下效应：（接触前后）,由于表面势的存在，半导体表面和体内进行电子 交换。如果表面态能级在EF和Efs之间就会被电子 填满，表面带负电，所以半导体表面附近会出现 正电荷，形成正的空间电荷区，形成电子的势垒， 即不和金属接触也形成电子势垒。,1、金属半导体接触前：,不存在表面态时，Ws=+En，存在表面态时，功函数要有相应的改变，加上qVD=EF0-EFs0的效应。,2、金属与半导体接触后,（1）接触后，表面态提供电子 流向金属，半导体表面态 密度很高时，只转移表面态电子就可以让系统达到平衡,接触前后，
8、半导体空间电荷分布不发生变化， 表面势不变,（2）表面态密度较大，表面、体内电子均转移,表面态中的电子和半导体体内的电子都要向金属转移，才能使系统平衡。,金属功函数对势垒有影响，但影响不大实际情况,金属的功函数决定接触类型及势垒高度,由于存在表面态，接触时总是形成势垒，且势垒高度受金属功函数影响不大,W mWs 电子的阻挡层 整流接触 W sWm 电子的反阻挡层 欧姆接触,理想接触,实际接触,7.2 金-半接触整流理论,1、阻挡层的整流特性 外加电压对阻挡层 （高阻层）的作用,加上正向电压 (金属一边为正)时：,由于阻挡层是个高电阻区域，外加电压主要降落在阻挡层上。金属一侧的势垒高度没有变化,
9、外加电压削弱了内建电场的作用，半导体势垒降低；,电流为：,进一步增加正向电压：,势垒高度进一步减低，势垒宽度减薄，多子导电变强。正向导电，电流很强。,加上反向电压（金属一边为负）时：,外加电压增强了内建电场的作用，势垒区电势增强，势垒增高；,由于阻挡层是个高电阻区域，外加电压主要降落在阻挡层上。金属一侧的势垒高度没有变化,2、整流理论定量V-I特性的表达式,（1）扩散理论 Diffusion Theory,势垒宽度比载流子的平均自由程大得多，即,势垒区是耗尽区； 半导体是非简并的,在势垒区边界，电子的浓度分别为：,电子从体内向界面处扩散； 在内建电场的作用下，电子做漂移运动；,扩散方向与漂移方
10、向相反,无外加电压： 扩散与漂移相互抵消平衡； 反向电压： 漂移增强反偏； 正向电压： 扩散增强正偏,3、势垒宽度与外加电压的关系,势垒区的宽度：,1、无外加电压，即,2、有外加电压，即,V 0， d 正正向电压使势垒区变窄 V0， d 负反向电压使势垒区变宽,势垒的高度和宽度都随外加电压变化：,求通过势垒的电流密度为漂移电流和 扩散电流之和：,J,将,带入上式得,J,解上方程并代入边界条件：,其中，,该理论是用于迁移率较小，平均自由程较短的半导体，如氧化亚铜。,7.2.2 热电子发射理论,当n型阻挡层很薄时，即电子的平均自由程大于 势垒宽度。扩散理论不再适合了。电子通过势 垒区的碰撞可以忽略
11、。,1、热电子发射理论的适用范围,ln d,适用于薄阻挡层,势垒高度,k0 T,非简并半导体,2、热电子发射理论的基本思想,薄阻挡层，势垒高度起主要作用。,能够越过势垒的电子才对电流有贡献 计算超越势垒的载流子数目，从而求出电流密度,3、势垒区的伏安特性,半导体一侧，只有能量大于势垒的电子才能越过势垒：,根据麦克斯韦分布可求得,中的电子数：,规定电流的正方向是从金属到半导体,电子流密度方向和电流方向相反, Jsm时（正向电流）,电子的状态密度和分布函数,能够运动到-界面的电子数为：, Jms时（反向电流）,ns是金属一边的电子势垒, 总的电流密度J, 讨论：,热电子发射理论：,Ge、Si、Ga
12、As都有较高的载流子迁移率，即较 大的平均自由程，在室温时，其肖特基势垒中的 电流输运机构，主要是多数载流子的热电子发射,扩散理论热,热电子发射理论,厚阻挡层 电流源于半导体一侧电子的漂移或扩散,薄阻挡层 电流源于越过势垒的电子,7.3 少数载流子的注入和欧姆接触,1、少数载流子的注入,对n型阻挡层，对少子空穴 就是积累层，在势垒区表面空穴浓度最大，,由表面向内部扩散，平衡时 被电场抵消。在正向电压时，产生和电子电流方向一致的。故部分正向电流由少子贡献。,首先决定于阻挡层中空穴的浓度，在势垒很高的情况下 ，接触表面的空穴浓度会很高。 其次还要受扩散能力的影响。在加正向电压时，空穴流 向半导体体
13、内，不能立即复合，要在阻挡层形成一定的 积累，然后靠扩散进入半导体体内。,所以有：,注入比r： 即在加正向电压时，少子电流和总电流的比,在大电流时，注入比随电流密度的增加而增大。,少子空穴电流的大小：,Page 236,2、欧姆接触,定义：金/半接触的非整流接触，即不产生明显的附加电阻，不会使半导体体内的平衡载流子浓度发生明显的改变。,应用：半导体器件中利用电极进行电流的输入和输出 就要求金属和半导体接触形成良好的欧姆接触。在超 高频和大功率的器件中，欧姆接触时设计和制造的关 键。,实现：不考虑表面态的影响，金半接触形成反阻挡层， 就可以实现欧姆接触。实际中，由于有很高的表面态， 主要用隧道效
14、应实现半导体制造的欧姆接触。,半导体重掺杂导致明显的隧穿电流，而实现 欧姆接触：,半导体掺杂浓度很高时，金半接触的势垒区的宽度变 得很薄，电子会通过隧道效应穿过势垒产生相当大的 隧穿电流，甚至会超过热电子发射电流成为电流的主 要部分。当隧穿电流占主要成份时，接触电阻会很小， 可以用作欧姆接触。,常用的方法：在n型或p型半导体上制作一层重掺杂 区再与金属接触，形成金属n+n 或金属p+p 结构。 使得金属的选择很多。电子束和热蒸发、溅射、电镀。,1、功函数：功函数的定义是E0与EF能量之差， 用W表示。即,半导体的功函数可以写成,本 章 小 结,半导体的费米能级随掺杂的变化而变化，因此，半导体的
15、功函数也会变化,2、接触电势差：,金属半导体接触，由于Wm和Ws不同，会产生接 触电势差Vms。同时半导体能带发生弯曲，使其表 面和内部存在电势差V，即表面势V，因而：,紧密接触时：,典型金属半导体接触有两类：一类是整流接触， 形成阻挡层，即肖特基接触；一类是非整流接 触，形成反阻挡层，即欧姆接触。,形成n型和p型阻挡层的条件,3、金属半导体接触整流特性：,在金属半导体接触中，金属一侧势垒高度不随外 加电压而变，半导体一侧势垒高度与外加电压相 关。因此，当外加电压使半导体一侧势垒高度降 低时，形成从半导体流向金属的净离子流密度， 且随外加电压而变化； 反之，则是从金属到半导体的离子流密度，该电
16、 流较小。且与外加电压几乎无关。这就是金属半 导体接触整流特性。,扩散理论、热电子发射理论计算肖特基接触的 电流-电压特性，前者适用于势垒区宽度比电子 的平均自由程大很多的半导体材料（即低迁移 率材料）；后者适用于薄阻挡层，电子的平均 自由程远大于势垒区宽度（高迁移率材料）。,两 种 理 论：,（1）、扩散理论：,当V0时，若qVkT，其电流电压特性为：,其中：,当VkT，则 ：,Jsd随电压变化，并不饱和,（2）、热电子发射理论：,电流-电压特性为,JST与外加电压无关，但强烈依赖于温度,Ge，Si，GaAs具有较高的载流子迁移率，即有 较大的平均自由程，因而在室温下，这些半导 体材料的肖特
17、基势垒中的电流输运机构主要是 热电子发射。,4、镜像力和隧道效应的影响 :,镜像力和隧道效应对反向特性有显著影响，它 们引起势垒高度的降低，使反向电流增加。,5、少数载流子的注入:,在金属和n型半导体的整流接触上加正向电压时， 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。少数载流子电流与总电流之比称 为少数载流子注入比，用表示。对n型阻挡层,6、欧姆接触特性和制作,欧姆接触可以通过金属半导体形成反阻挡层或隧 道效应制造。实际生产中，主要利用隧道效应在 半导体上制造欧姆接触。,1、施主浓度ND=1017cm-3的n型Si，室温下功函数是多少？若不考虑表面态的影响，它分别和Al,Au
18、,Mo接触时形成阻挡层还是反阻挡层？Si的电子亲和能取4.05eV.设 WAl=4.18eV, WAu=5.20eV, WMo=4.21eV.,解：室温下杂质全电离，则：,已知WAl=4.18eV W,所以两者接触形成反阻挡层,而WAu和WMo均大于W，所以均形成阻挡层,习 题 选 讲：,2、电阻率为10cm的n型Ge和金属接触形成的 肖特基势垒高度为0.3eV,求加上5V反向电压时的 空间电荷层厚度。,解：,对于N型锗，当=10cm时，,n=3900cm2/(Vs),=1/(nqn),空间电荷层厚度 为 7.66纳米,Page 238: 3、4、6、7、8,本 章 习 题：（共五题）,With no barrier between us, keep contact and exchange our experiences and knowledge!,