金属和半导体的接触

第七章金属和半导体的接触林硕E-mail:[e-mail]§7.1金属半导体接触及其能带图本章内容提要金半接触及其能级图整流特性少子注入和欧姆接触金属—半导体接触整流接触：微波技术和高速集成电路欧姆接触：电极制作成为界面物理重要内容半导体器件重要部分能级图整流特征欧姆接触7.1金属半导体接触及其能级图1.金属与半导体的功函数功函数：金属中的电子从金属中逸出，需由外界供给它足够的能量，这个能量的最低值被称为功函数。金属功函数Wm=E0-(EF)m金属中的电子势阱半导体的功函数和电子亲和能E0为真空电子能级半导体功函数Ws=E0-(EF)s电子亲和能χ=E0-EcWs=χ+[Ec-(EF)s]=χ+EnEn=Ec-(EF)s2.接触电势差（肖特基模型）金属和n型半导体接触能带图（WmWs）（a）接触前；（b）间隙很大；（c）紧密接触；（d）忽略间隙半导体电势提高金属电势降低平衡态，费米能级相等qWWVVVms'smms)b(接触电势差金半间距D远大于原子间距时D正负电荷密度增加sVqWWVmsms)c(接触电势差D与原子间距相比很小接触电势差ms)d(VmnsmnsnDnssmsD)(WEWWEqVEqVqWWqVqV半导体空间电荷区形成（why），表面势，能带弯曲（理想）肖特基势垒高度小结：（1）金属与n型半导体接触WmWs，电子由半导体进入金属，在半导体表面形成电子势垒（阻挡层）WsWm，电子由金属进入半导体，Vs0，能带下降，表面是电子势阱，形成电导层（反阻挡层）金属和n型半导体接触能带图（WmWs）（2）金属与p型半导体接触WmWs，能带上升，空穴势阱，半导体表面是高电导压，为p型反阻挡层WmWs，能带下降，形成空穴势垒，为p型阻挡层优缺点：①很好地解释离子性半导体与金属接触时所形成的势垒的物理本质；②不能解释不同金属（Wm不一样）与同一种半导体接触（χ一定）时Φm与Wm的差别；③肖特基模型不是形成势垒的唯一机理。金属和p型半导体接触能带图(WmWs)(WmWs)3.表面态对接触势垒的影响（巴丁模型）mnsmnsnDnssmsD)(WEWWEqVEqVqWWqVqV半导体问题的提出：不同金属与同一半导体接触金属功函数相差很大，而势垒高度相差很小理论上实际中金属一边的势垒高度应随金属功函数而变化金属与半导体接触是不同物质之间的紧密接触界面半导体固有表面态势垒或势阱高度与有关)(,sFFEE半导体表面态密度足够高，平衡时半导体费米能级被锁定在)(sFE巴丁模型1、阻挡层的整流特性——外加电压对阻挡层的作用RectificationTheoryofMetal-SemiconductorContact概念整流理论是指阻挡层的整流理论紧密接触的金属和半导体之间有外加电压外加正向电压V于金属（V0），电压主要降落在高阻区域阻挡层上。原来半导体表面和内部之间的电势差，即表面势是(Vs00)，现在应为(Vs0十V)，因而半导体一边的电子势垒高度由-qVs0改变为-q(Vs0十V)下降，形成从金属到半导体的正向净电流，它是由n型半导体中多数载流子构成的。外加电压越高，势垒下降越多正向电流越大。如外加反向电压(即V＜0），势垒增高，金属到半导体的电子流占优势，形成由半导体到金属的反向净电流。由于金属中的电子要越过相当高的qns才能到达半导体中，因此反向电流很小。因金属一边的势垒不随外加电压变化，所以从金属到半导体的电子流是恒定的。当反向电压进一步提高，使半导体到金属的电子流可以忽略不计时，反向电流将趋于饱和值。所以这样的阻挡层具有类似p-n结的伏—安特性，即有整流作用。RectificationTheoryofMetal-SemiconductorContactqVD=-q(Vs)0nsq0JJJsmms净电流xdRectificationTheoryofMetal-SemiconductorContact加上正向电压（金属一边为正）时：加上反向电压(金属一边为负)时：p型阻挡层的讨论完全类似，不同的是这里(Vs)0＞0，正反向电压的极性与n型阻挡层相反。当V＜0，即金属加负电压时，形成从半导体流向金属的正向电流；当V＞0，即金属加正电压时，形成反向电流。无论是哪种阻挡层，正向电流都相应等于多数载流子由半导体到金属所形成的电流。以上定性的说明了金属半导体接触整流理论，下面根据扩散和热电子发射理论定量讨论2、整流理论（1）扩散理论xdLn时（2）热电子发射理论xdLn时（1）扩散理论n型阻挡层，当势垒的宽度比电子的平均自由程大得多时(xdLn)，电子通过势垒区要发生多次碰撞，这样的阻挡层称为厚阻挡层--适用于扩散理论Ln:电子的平均自由程Xd:势垒宽度势垒区存在电场，有电势的变化，载流子浓度不均匀。计算通过势垒的电流时，必须同时考虑漂移和扩散运动。一般情况下，势垒高度远大于k0T时，势垒区可近似为一个耗尽层。在耗尽层中，载流子极少，它们对空间电荷的贡献可以忽略；杂质全部电离，空间电荷完全由电离杂质的电荷形成。n型半导体的耗尽层，耗尽层宽度xd表示。考虑半导体是均匀掺杂的，那么耗尽层中的电荷密度是均匀且等于qND势垒高度qVDk0T时，势垒区内的载流子浓度～01xx0xx0qNddD2022rdxVd代入泊松方程30qN0D22rdxVd即势垒区的电势分布：半导体内电场为零，E(xd)=0；取金属费米能级位置为零电位，则V(0)=－ns；则边界条件为：E(xd)=0V(0)=－ns；4030nsxxdVdxdVxEd利用边界条件nsVDn0205162DdrDddnsrqNdVExxxdxqNVxxx积分得到RectificationTheoryofMetal-SemiconductorContact0VdxxdnDxExnqJnn因此100dxxdndxxdVTkxqnqDnRectificationTheoryofMetal-SemiconductorContact1310TkqVeJJSD得到142qN00DTkDqVeVVJDrSD其中131200200000020TkVqnsTkqcdnsdrDdTkXqVsnennVeNnxnxqNxVe和，并利用边界条件在等式两边同乘因子RectificationTheoryofMetal-SemiconductorContact讨论：时01VTkqV0如果TkqVeJJSD0TkqV0如果时02VSDJJRectificationTheoryofMetal-SemiconductorContact