第七章金屬和半導(dǎo)體的接觸林碩E-mail:linshuo_pv@163.com§7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能帶圖1編輯課件本章內(nèi)容提要金半接觸及其能級(jí)圖整流特性少子注入和歐姆接觸2編輯課件金屬—半導(dǎo)體接觸

整流接觸：微波技術(shù)和高速集成電路

歐姆接觸：電極制作成為界面物理重要內(nèi)容半導(dǎo)體器件重要部分能級(jí)圖整流特征歐姆接觸3編輯課件7.1金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖1.金屬與半導(dǎo)體的功函數(shù)功函數(shù)：金屬中的電子從金屬中逸出，需由外界供給它足夠的能量，這個(gè)能量的最低值被稱為功函數(shù)。金屬功函數(shù)Wm=E0-(EF)m金屬中的電子勢(shì)阱半導(dǎo)體的功函數(shù)和電子親和能E0為真空電子能級(jí)

半導(dǎo)體功函數(shù)Ws=E0-(EF)s

電子親和能χ=E0-Ec

Ws=χ+[Ec-(EF)s]=χ+EnEn=Ec-(EF)s4編輯課件2.接觸電勢(shì)差（肖特基模型）金屬和n型半導(dǎo)體接觸能帶圖（Wm>Ws）（a）接觸前；（b）間隙很大；（c）緊密接觸；（d）忽略間隙半導(dǎo)體電勢(shì)提高金屬電勢(shì)降低平衡態(tài)，費(fèi)米能級(jí)相等金半間距D遠(yuǎn)大于原子間距時(shí)D正負(fù)電荷密度增加D與原子間距相比空間電荷區(qū)形成（why），表面勢(shì)，能帶彎曲（理想）肖特基勢(shì)壘高度

5編輯課件小結(jié)：（1）金屬與n型半導(dǎo)體接觸

Wm>Ws，電子由半導(dǎo)體進(jìn)入金屬，在半導(dǎo)體表面形成電子勢(shì)壘（阻擋層）

Ws>Wm，電子由金屬進(jìn)入半導(dǎo)體，Vs>0，能帶下降，表面是電子勢(shì)阱，

形成電導(dǎo)層（反阻擋層）

金屬和n型半導(dǎo)體接觸能帶圖（Wm<Ws）6編輯課件（2）金屬與p型半導(dǎo)體接觸

Wm>Ws

，能帶上升，空穴勢(shì)阱，半導(dǎo)體表面是高電導(dǎo)壓，為p型反阻擋層

Wm<Ws

，能帶下降，形成空穴勢(shì)壘，為p型阻擋層

優(yōu)缺點(diǎn)：很好地解釋離子性半導(dǎo)體與金屬接觸時(shí)所形成的勢(shì)壘的物理本質(zhì)；不能解釋不同金屬（Wm不一樣）與同一種半導(dǎo)體接觸（χ一定）時(shí)Φm與Wm的差別；肖特基模型不是形成勢(shì)壘的唯一機(jī)理。

金屬和p型半導(dǎo)體接觸能帶圖(Wm>Ws)(Wm<Ws)7編輯課件3.表面態(tài)對(duì)接觸勢(shì)壘的影響（巴丁模型）問(wèn)題的提出：不同金屬與同一半導(dǎo)體接觸金屬功函數(shù)相差很大，而勢(shì)壘高度相差很小理論上實(shí)際中金屬一邊的勢(shì)壘高度應(yīng)隨金屬功函數(shù)而變化8編輯課件金屬與半導(dǎo)體接觸是不同物質(zhì)之間的緊密接觸

界面半導(dǎo)體固有表面態(tài)勢(shì)壘或勢(shì)阱高度與有關(guān)半導(dǎo)體表面態(tài)密度足夠高，平衡時(shí)半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)被鎖定在巴丁模型9編輯課件1、阻擋層的整流特性

——外加電壓對(duì)阻擋層的作用RectificationTheoryofMetal-SemiconductorContact10編輯課件概念整流理論是指阻擋層的整流理論

緊密接觸的金屬和半導(dǎo)體之間有外加電壓外加正向電壓V于金屬（V>0），電壓主要降落在高阻區(qū)域阻擋層上。原來(lái)半導(dǎo)體表面和內(nèi)部之間的電勢(shì)差，即表面勢(shì)是(Vs0<0)，現(xiàn)在應(yīng)為(Vs0十V)，因而半導(dǎo)體一邊的電子勢(shì)壘高度由-qVs0

改變?yōu)?q(Vs0十V)下降，形成從金屬到半導(dǎo)體的正向凈電流，它是由n型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子構(gòu)成的。外加電壓越高，勢(shì)壘下降越多正向電流越大。11編輯課件如外加反向電壓(即V＜0），勢(shì)壘增高，金屬到半導(dǎo)體的電子流占優(yōu)勢(shì)，形成由半導(dǎo)體到金屬的反向凈電流。由于金屬中的電子要越過(guò)相當(dāng)高的qns才能到達(dá)半導(dǎo)體中，因此反向電流很小。因金屬一邊的勢(shì)壘不隨外加電壓變化，所以從金屬到半導(dǎo)體的電子流是恒定的。當(dāng)反向電壓進(jìn)一步提高，使半導(dǎo)體到金屬的電子流可以忽略不計(jì)時(shí)，反向電流將趨于飽和值。所以這樣的阻擋層具有類似p-n結(jié)的伏—安特性，即有整流作用。12編輯課件RectificationTheoryofMetal-SemiconductorContact13編輯課件qVD=-q(Vs)0xdRectificationTheoryofMetal-SemiconductorContact14編輯課件加上正向電壓（金屬一邊為正）時(shí)：

15編輯課件加上反向電壓(金屬一邊為負(fù))時(shí)：

16編輯課件

p型阻擋層的討論完全類似，不同的是這里(Vs)0＞0，正反向電壓的極性與n型阻擋層相反。當(dāng)V＜0，即金屬加負(fù)電壓時(shí)，形成從半導(dǎo)體流向金屬的正向電流；當(dāng)V＞0，即金屬加正電壓時(shí)，形成反向電流。無(wú)論是哪種阻擋層，正向電流都相應(yīng)等于多數(shù)載流子由半導(dǎo)體到金屬所形成的電流。以上定性的說(shuō)明了金屬半導(dǎo)體接觸整流理論，下面根據(jù)擴(kuò)散和熱電子發(fā)射理論定量討論

17編輯課件2、整流理論（1）擴(kuò)散理論xd>>Ln時(shí)（2）熱電子發(fā)射理論xd<<Ln時(shí)18編輯課件（1）擴(kuò)散理論

n型阻擋層，當(dāng)勢(shì)壘的寬度比電子的平均自由程大得多時(shí)(xd>>Ln)，電子通過(guò)勢(shì)壘區(qū)要發(fā)生多次碰撞，這樣的阻擋層稱為厚阻擋層--適用于擴(kuò)散理論Ln:電子的平均自由程Xd:勢(shì)壘寬度19編輯課件

勢(shì)壘區(qū)存在電場(chǎng)，有電勢(shì)的變化，載流子濃度不均勻。計(jì)算通過(guò)勢(shì)壘的電流時(shí)，必須同時(shí)考慮漂移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

一般情況下，勢(shì)壘高度遠(yuǎn)大于k0T時(shí)，勢(shì)壘區(qū)可近似為一個(gè)耗盡層。在耗盡層中，載流子極少，它們對(duì)空間電荷的貢獻(xiàn)可以忽略；雜質(zhì)全部電離，空間電荷完全由電離雜質(zhì)的電荷形成。n型半導(dǎo)體的耗盡層，耗盡層寬度xd表示?？紤]半導(dǎo)體是均勻摻雜的，那么耗盡層中的電荷密度是均勻且等于qND20編輯課件勢(shì)壘高度qVD>>k0T時(shí)，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的載流子濃度～021編輯課件22編輯課件勢(shì)壘區(qū)的電勢(shì)分布：半導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)為零，E(xd)=0；取金屬費(fèi)米能級(jí)位置為零電位，則V(0)=－ns；則邊界條件為：

E(xd)=0V(0)=－ns；

23編輯課件VDRectificationTheoryofMetal-SemiconductorContact0V24編輯課件RectificationTheoryofMetal-SemiconductorContact25編輯課件R