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1、第七章 金属和半导体的接触,本章内容,金属和半导体接触（4学时）金属半导体接触及其能级图；少数载流子的注入和欧姆接触。重点：金属和半导体之间接触的能带图，少数载流子的注入过程和形成欧姆接触的必要条件。,7.1 金属半导体接触及其能级图,金属功函数,7.1.1 金属和半导体的功函数,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。,金属功函数随原子序数的递增呈现周期性变化,关于功函数的几点说明:对金属而言,功函数Wm可看作是固定的.功函数Wm标志了电子在金属中被束缚的程度.对半导体而言,功函数与掺杂有关功函数与表面有关.功函数是一个统计物理量。,半导体的功函数Ws,E0与
2、费米能级之差称为半导体的功函数。,Ec,(EF)s,Ev,E0,Ws,表示从Ec到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。,En,Ep,故 其中,对半导体，电子亲和能是固定的，功函数与掺杂有关,半导体功函数与杂质浓度的关系 n型半导体:p型半导体:,7.1.2 接触电势差,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：,接触前：,Ec,(EF)s,Ev,E0,Ws,En,Wm,(EF)m,金属和半导体间距离D远大于原子间距,由于WmWs，即 EFm EFN,半导体中电子能量较大易进入金属金属带负电半导体带正电（施主离
3、子）形成空间电荷区（类似P-N结）能带将弯曲形成势垒接触电位差到平衡费米能级统一,随着D的减小,靠近半导体一侧的金属表面负电荷密度增加，同时靠近金属一侧的半导体表面的正电荷密度也随之增加。由于半导体中自由电荷密度的限制，正电荷分布在一层相当厚的表面层内，即空间电荷区。空间电荷区内存在一定电场，造成能带弯曲。半导体表面和内部之间存在电势差VS，称为表面势。,若D小到可以与原子间距相比较忽略间隙中电势差的极限情况,电子可自由穿过间隙，这时Vms很小，接触电势差大部分降落在空间电荷区。,半导体一侧电子的势垒高度（接触势垒）,金属一侧电子的势垒高度,若WmWs，半导体表面形成正的空间电荷区，电场由体内
4、指向表面，Vs0，形成表面势垒（阻挡层）。,En,Ec,Ev,(EF)s,qVD,qns,Wm,能带向上弯曲，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)。,若Wm0。形成高电导区（反阻挡层）。,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。,En,Ec,Ev,(EF)s,qVD,X-Wm,金属与p型半导体接触时，若WmWs，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。,金属与p型半导体接触时，若WmWs，能带向上弯曲，形成P型反阻挡层。,上述金半接触模型即为Schottky 模
5、型：,表面态对接触电势的影响,实验表明：不同金属的功函数虽然相差很大，但与半导体接触时形成的势垒高度却相差很小。,说明金属的功函数对势垒高度的影响并不显著。,原因：半导体表面存在表面态。,表面态分为施主型和受主型。表面态在半导体表面禁带中呈现一定分布，表面处存在一个距离价带顶为q0的能级。电子正好填满q0以下所有的表面态时，表面呈电中性。若q0以下表面态为空，表面带正电，呈现施主型；q0以上表面态被电子填充，表面带负电，呈现受主型。对于大多数半导体，q0约为禁带宽度的三分之一。,巴丁（Bardeen）提出应该考虑到半导体表面存在密度相当大的表面态。如果认为在金属和半导体之间存在原子线度的间隙，
6、表面态中的电荷可通过在间隙中产生的电势差对势垒高度起到钳制作用。,若n型半导体存在表面态，费米能级高于q0，如果q0以上存在有受主型表面态，在EF与q0之间的能级将被电子填满，表面带负电。表面附近出现正的空间电荷区，形成电子势垒。势垒高度qVD恰好使表面态上的负电荷与势垒区的正电荷相等。,若表面态密度很大，只要EF比q0高一点，表面态上就会积累很多负电荷。由于能带上弯，表面处EF很接近q0，势垒高度就等于原费米能级与q0之差，称为被高表面态密度钉扎。,流向金属的电子由受主表面提供。由于表面态密度很高，半导体势垒区的情形基本不变。平衡后，半导体EF相对金属EF下降了（Wm-Ws)。空间电荷区的正
7、电荷等于表面受主态留下的负电荷与金属表面负电荷之和。,存在表面态即使不与金属接触，表面也形成势垒。当半导体的表面态密度很高时，可以屏蔽金属接触的影响，使半导体内的势垒高度和金属的功函数几乎无关，由半导体表面性质决定。由于表面态密度的不同，紧密接触时，接触电势差将有部分降落在半导体内，金属功函数对表面势垒将产生不同程度的影响，但影响不大。（所以当WmWs时，也可能形成n型阻挡层）,7.2金属半导体接触整流理论,电导的非对称性（整流特性）在某一方向电压作用下的电导与反方向电压作用下的电导相差悬殊的器件特性首要条件：接触必须形成半导体表面的阻挡层（形成多子的接触势垒）,整流特性,（1）V=0半导体接
8、触表面能带向上弯，形成n型阻挡层。当阻挡层无外加电压作用，从半导体流向金属的电子与从金属流向半导体的电子数量相等，处于动态平衡，因而没有净的电子流流过阻挡层。,（2）V0若金属接电源正极，n型半导体接电源负极，则外加电压降方向由金属指向半导体，外加电压方向和接触表面势方向相反，使势垒高度下降，电子顺利的流过降低了的势垒。从半导体流向金属的电子数超过从金属流向半导体的电子数，形成从金属流向半导体的正向电流。,（3）V0当电源极性接法反过来，外加电压方向和接触表面势方向相同，势垒高度上升，金属流向半导体的电子数占优势，形成从半导体流到金属的反向电流。由于金属中的电子要越过相当高的势垒qns才能达到
9、半导体，因此反向电流很小。,当势垒宽度大于电子的平均自由程，电子通过势垒要经过多次碰撞，这样的阻挡层称为厚阻挡层。扩散理论适用于厚阻挡层。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。,理论解释 扩散理论,根据边界条件：半导体内部电场为零；以金属费米能级除以-q为电势零点，可得,当V0时，若qVk0T，则当Vk0T，则该理论适用于迁移率较小，平均自由程较短的半导体，如氧化亚铜。,当n型阻挡层很薄，电子平均自由程远大于势垒宽度。起作用的是势垒高度而不是势垒宽度。电流的计算归结为超越势垒的载流子数目。假定，由于越
10、过势垒的电子数只占半导体总电子数很少一部分，故半导体内的电子浓度可以视为常数。讨论非简并半导体的情况。,热电子发射理论,针对n型半导体，电流密度,其中理查逊常数,Ge、Si、GaAs有较高的载流子迁移率，有较大的平均自由程，因此在室温下主要是多数载流子的热电子发射。,两种理论结果表示的阻挡层电流与外加电压变化关系基本一致，体现了电导非对称性正向电压，电流随电压指数增加；负向电压，电流基本不随外加电压而变化JSD与外加电压有关；JST与外加电压无关，强烈依赖温度T。当温度一定，JST随反向电压增加处于饱和状态，称之为反向饱和电流。,镜像力和隧道效应的影响,镜像力的影响,隧道效应 微观粒子要越过一
11、个势垒时，能量超过势垒高度的微粒子，可以越过势垒，而能量低于势垒高度的粒子也有一定的概率穿过势垒，其他的则被反射。这就是所谓微粒子的隧道效应。,隧道效应的影响,结论：只有在反向电压较高时，电子的动能较大，使有效势垒高度下降较多，对反向电流的影响才是显著的。,肖特基势垒二极管与p-n结的相同点：单向导电性。与p-n结的不同点：（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。,肖特基二极管JsD和JsT比p-n结反向饱和电流Js大得多。即肖特基二极管有较低的正向导通电压。用途：钳位二极管(提高电路速度)等。,n型阻挡层，体内电子浓度为
12、n0，接触面处的电子浓度是电子的阻挡层就是空穴积累层。在势垒区，空穴的浓度在表面处最大。体内空穴浓度为p0，则表面浓度为,7.3少数载流子的注入和欧姆接触,少数载流子的注入,加正压时，势垒降低，形成自外向内的空穴流，形成的电流与电子电流方向一致。空穴电流大小，取决于阻挡层的空穴浓度。,平衡时，如果接触面处有此时若有外加电压，p(0)将超过n0，则空穴电流的贡献就很重要了。加正向电压时，少数载流子电流与总电流值比称为少数载流子的注入比，用表示。,加正电压时，势垒两边界处的电子浓度将保持平衡值，而空穴在阻挡层内界形成积累，然后再依靠扩散运动继续进入半导体内部。对n型阻挡层而言,7.2.2 欧姆接触
13、,定义不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的变化。当有电流经过时，欧姆接触上的电压降应远小于样品或者器件本身的压降，即电流-电压特性是由样品的电阻或者器件的特性决定的。,实现 反阻挡层没有整流作用，但由于常见半导体材料一般都有很高的表面态密度，因此很难用选择金属材料的办法来获得欧姆接触。隧道效应：重掺杂的半导体与金属接触时，则势垒宽度变得很薄，电子通过隧道效应贯穿势垒产生大隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分，即可形成接近理想的欧姆接触。,接触电阻：零偏压下的微分电阻把导带底Ec选作电势能的零点，可得,电子的势垒为令y=d0-x，则,根据量子力学中的结论，x=d0处导带底电子通过隧道效应贯穿势垒的隧道概率为有外加电压时，势垒宽度为d，表面势为(Vs)0+V，则隧道概率,隧道电流与隧道概率成正比进而可得到,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接触。,
