半导体物理学第七章

一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构九．半导体异质结构半导体物理学chap7金属与半导体接触Metal-semiconductorContact制造半导体器件或研究半导体材料的性质；总要涉及到金－半接触如：1．器件内引线（集成电路各元件的互连线）2．外引线3．汞探针c-v测载流子浓度；四探针（钨丝）测电阻率金属－半导体接触类型：1.半导体为轻掺杂（一般），金－半接触表现为单向导电（具有整流作用），这种接触称为肖特基接触（schottky-contact）（整流接触）应用：微波开关二极管；太阳能电池；整流器（面积大,功率大，作开关型稳压源）；173510/Ncmchap7金属与半导体接触Metal-semiconductorContact；箝位二极管（用于集成电路“IC”，限制深饱和）（肖特基势垒二极管）2．半导体为重掺杂（），金－半接触表现为（正反向偏压）低阻特性。称欧姆接触（非整流接触）V-I特性对称。应用：器件引线（外引线及集成电路中的内线）两种接触的伏安特性：203510/NcmVIo2：欧姆接触1：整流接触（肖特基接触）I＝V／R§7.1金属半导体接触及其能级图金属/半导体接触和肖特基势垒M/S接触（Contact）为金属（M）与半导体（S）接触形成的基本结构，通常形成肖特基势垒(ShottkyBarrier)，其中肖特基势垒是M/S肖特基接触的主要特征。在特定的条件下M/S接触可形成欧姆（Ohmic）型接触。影响肖特基势垒的因素有：金属和半导体的功函数、金属感应的镜像电荷产生的镜像势、界面的陷阱态能级及其密度等欧姆接触，可为半导体器件之间的连接提供的低阻互连肖特基二极管，可作为整流结（肖特基势垒）器件使用M/S接触的形成M/S结构通常是通过在干净的半导体表面淀积金属而形成。利用金属硅化物（Silicide）技术可以优化和减小接触电阻，有助于形成低电阻欧姆接触。★金属和半导体的功函数功函数:W=EVAC-EF,(EVAC--真空中静止电子的能量,亦记作E0)功函数给出了固体中EF处的电子逃逸到真空所需的最小能量.金属功函数Z关于功函数的几点说明:①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②功函数与表面有关.③功函数是一个统计物理量对半导体,电子亲和能χ是固定的,功函数与掺杂有关图7-3表7-1半导体功函数与杂质浓度的关系♦n型半导体:WS=χ+(EC-EF)♦p型半导体:WS=χ+[Eg-(EF-EV)]热平衡情形下M/S接触的能带图假设金属与半导体功函数差为：Wms，且一般情况下不为0。当金属和半导体形成接触时，如果二者的功函数不同（费米能级不等），则会发生载流子浓度和电势的再分布，形成肖特基势垒。通常会出现电子从功函数小（费米能级高）的材料流向功函数大的材料，直到两材料体内各点的费米能级相同（即Ef＝常数）为止。半导体体内载流子的再分布会形成载流子耗尽或积累，并在耗尽区或积累区发生能带弯曲，而在金属体内的载流子浓度和能带基本没有变化。★金属和半导体接触电势差一种典型情况:讨论M/n型半导体,WmWs(阻挡层）①接触电势差--为了补偿两者功函数之差,金属与半导体之间产生电势差:Vms=(Ws–Wm)/e♦当WmWs,Vms0(金属一边低电势)（反阻挡层）♦通常,可认为接触电势差全部降落于空间电荷区.②半导体一边的势垒高度:VD=∣Vms∣③表面势—半导体表面相对于体内的电势Vs=Vms④金属一边的势垒高度(肖特基势垒--SB):eΦSB=eΦns=Wm–χ♦常常选择ΦSB为描述金属/半导体接触势垒的基本物理量(ΦSB几乎与外加电压无关)★金属/半导体接触的几种情况对M/n型半导体:♦WmWs能带上弯--电子势垒空间电荷—电离施主♦WmWs能带下弯--电子势阱空间电荷—电子积累势垒—阻挡层,势阱—反阻挡层WmWs电子势垒WmWs电子势阱对M/p型半导体:♦WmWs能带上弯--空穴势阱空间电荷—空穴积累♦WmWs能带下弯--空穴势垒空间电荷—电离受主WmWs空穴势垒WmWs空穴势阱§2金属半导体接触整流理论（肖特基二极管的偏置及其IV特性）★I-V特性的定性图象①定性图象--阻挡层的整流作用:(仍讨论M/n-S形成电子势垒)M/S接触是多子器件.对M/n-S形成的电子势垒,其输运特性主要由电子决定.♦正向偏置,半导体一侧电子势垒降低,可形成较大的正向电流.♦反向偏置,半导体一侧电子势垒升高,反向电流很小.当反向偏置加大,反向电流可趋于饱和.图7-101938年，W.Schottky提出了基于整流二极管的理论，称为肖特基二极管理论。这一理论以金属和半导体功函数差为基础。要定量讨论I-V特性,必须讨论电子是怎样越过势垒的.两种近似模型:♦扩散理论—势垒区较厚,制约正向电流的主要是电子在空间电荷区的扩散过程♦热电子发射理论—载流子的迁移率较高,电子能否通过势垒区,主要受制于势垒高度.②热电子发射理论的结果♦其中♦有效里查孙常数(书上,表7-4)(1)eVkTsTjje2SBekTsTjATe234ekmAhn为理想因子，I0为与不依赖电压的部分，非理想效应用n的取值来反映，n通常取1.0-1.21）其中I0通过外推得到。2）可以从以前的式子得到势垒高度，在分析中势垒降低必须考虑。3）n从曲线斜率得到。★肖特基势垒二极管(SchottkyBarrierDiode——SBD)p-n结二极管肖特基势垒二极管223(1),4,SBeVkTsTekTsTjjeekmjATeAh00(1),eVkTSSnpeDeDJJeJpnLLⓐ肖特基势垒二极管是多子器件,有优良的高频特性.一般情况下,不必考虑少子的注入和复合.ⓑ肖特基势垒二极管有较低的正向导通电压.反向击穿电压较低,反向漏电较高.ⓒ肖特基势垒二极管具有制备上的优势.★欧姆接触欧姆接触是金属-半导体接触的另一个重要应用—作为器件引线的电极接触(非整流接触).欧姆接触的要求:接触电阻应小到与半导体的体电阻相比可以忽略(不影响器件的电学特性).欧姆接触的实现:主要方法是对接触处的半导体高掺杂,利用隧道效应,得到很小的接触电阻7.3少数载流子的注入和欧姆接触