金屬半導(dǎo)體接觸

1、半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第1 1頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二第七章、第七章、金屬金屬- -半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體接觸 本章在已知半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及本章在已知半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及JV方程后，討論方程后，討論金屬與半導(dǎo)體接觸的特性。金屬與半導(dǎo)體接觸的特性。目的：？目的：？半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第2 2頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二主要內(nèi)容： 金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖 金半接觸整流理論及肖特基接觸 歐姆接觸半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第3 3頁(yè)頁(yè)20201010年年

2、1212月月2121日星期二日星期二9、金屬和半導(dǎo)體接觸主要有幾種？舉例給出它們的、金屬和半導(dǎo)體接觸主要有幾種？舉例給出它們的形成條件，并定性畫出它們的能帶圖。形成條件，并定性畫出它們的能帶圖。(2008) 13（20分）一型半導(dǎo)體分）一型半導(dǎo)體Si樣品電阻率為樣品電阻率為0.4 -cm（300）。要制備一個(gè)肖特基結(jié)（金）。要制備一個(gè)肖特基結(jié)（金屬半導(dǎo)體整流接觸），有如下兩種金屬，功屬半導(dǎo)體整流接觸），有如下兩種金屬，功函數(shù)分別為：函數(shù)分別為：l：4.20，：，：5.4。選擇合適的金屬，給出選擇。選擇合適的金屬，給出選擇的理由。并計(jì)算金屬一側(cè)的勢(shì)壘高度的理由。并計(jì)算金屬一側(cè)的勢(shì)壘高度q ms和

3、半導(dǎo)體一側(cè)的勢(shì)壘高度和半導(dǎo)體一側(cè)的勢(shì)壘高度qVD。（。（2007）半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第4 4頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二7.1 7.1 金屬金屬- -半導(dǎo)體接觸及其能帶圖半導(dǎo)體接觸及其能帶圖金屬金屬- -半導(dǎo)體接觸可以分成兩類，一類是整流接半導(dǎo)體接觸可以分成兩類，一類是整流接觸，一類是歐姆接觸觸，一類是歐姆接觸一、金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)一、金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)電子從費(fèi)米能級(jí)到真空所需要的能量。電子從費(fèi)米能級(jí)到真空所需要的能量。Wm=EWm=E0 0-(E-(EF F) )m m電子的親和勢(shì)：電子的親和勢(shì)： = =E E0 0-

4、E-EC C半導(dǎo)體中：Ws= + +E EC C-E-EFsFs= = + +E En n半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第5 5頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二 半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第6 6頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二二、金屬二、金屬- -半導(dǎo)體接觸勢(shì)壘半導(dǎo)體接觸勢(shì)壘由于金屬與半導(dǎo)體的功函數(shù)不同，它們相互緊密接觸由于金屬與半導(dǎo)體的功函數(shù)不同，它們相互緊密接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)差。時(shí)，會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)差。接觸勢(shì)壘接觸勢(shì)壘金屬與金屬與N型半導(dǎo)體接觸，型半導(dǎo)體接觸，WmWs 時(shí)時(shí)當(dāng)

5、它們緊密接觸時(shí)，電子會(huì)從費(fèi)米能級(jí)高的地方向低當(dāng)它們緊密接觸時(shí)，電子會(huì)從費(fèi)米能級(jí)高的地方向低的地方流動(dòng)，所以半導(dǎo)體中電子會(huì)向金屬中流動(dòng)，的地方流動(dòng)，所以半導(dǎo)體中電子會(huì)向金屬中流動(dòng)，使金屬表面荷負(fù)電，電子能量提高，而半導(dǎo)體表面使金屬表面荷負(fù)電，電子能量提高，而半導(dǎo)體表面形成正的空間電荷區(qū)；當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)這到平衡時(shí)，金形成正的空間電荷區(qū)；當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)這到平衡時(shí)，金屬和半導(dǎo)體形成統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。屬和半導(dǎo)體形成統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第7 7頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二 半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第8

6、 8頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二有關(guān)幾個(gè)名詞：金-半接觸電勢(shì)差Vms：金屬與半導(dǎo)體內(nèi)的電位差接觸過渡區(qū)上的壓降V半導(dǎo)體側(cè)電勢(shì)差VD：半導(dǎo)體表面與體內(nèi)的電勢(shì)差金屬側(cè)勢(shì)壘qm：多子從金屬向半導(dǎo)體一側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)的勢(shì)壘有如下關(guān)系： qVms= Wm-WsVms= V + VD VmsVDqm = Wm -(對(duì)N型半導(dǎo)體而言)從上面的討論知道，金屬與N型半導(dǎo)體接觸，當(dāng)WmWs 時(shí)：勢(shì)壘區(qū)中的表面附近的能帶向上彎曲，半導(dǎo)體表面電子濃度比體內(nèi)小得多，為多子(電子)耗盡，因此，它是一個(gè)高阻區(qū)；多子(電子)在金屬和半導(dǎo)體兩邊轉(zhuǎn)移時(shí)，都需要克服一定的勢(shì)壘，故，通常也將之稱為多子阻擋層。

7、肖特基勢(shì)壘肖特基勢(shì)壘：由半導(dǎo)體一側(cè)空間電荷區(qū)的電場(chǎng)形成的勢(shì)壘：由半導(dǎo)體一側(cè)空間電荷區(qū)的電場(chǎng)形成的勢(shì)壘半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第9 9頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二金屬與N型半導(dǎo)體接觸，WmWs 時(shí)此時(shí)，電子將從金屬流向半導(dǎo)體，在半導(dǎo)體表面形成負(fù)的空間電荷層，使得半導(dǎo)體側(cè)電子能量提高；在空間電荷區(qū)中表面附近能帶向下彎曲，電子濃度將比體內(nèi)的平衡濃度大得多，它是多子(電子)積累層，是一個(gè)高電導(dǎo)層；這種情況下，多子（電子）在兩種材料中的相互轉(zhuǎn)移，不需要越過勢(shì)壘就可以運(yùn)動(dòng)到對(duì)方，通常稱為多子反阻擋層。半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工

8、大電控學(xué)院 第第1010頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二 金屬與P型半導(dǎo)體接觸，WmWs 時(shí)當(dāng)接觸時(shí)，半導(dǎo)體中電子向金屬中移動(dòng)，金屬側(cè)的電子能量提高，而在半導(dǎo)體表面形成帶正電的空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)中表面附近的能帶向上彎曲；在表面附近，空穴濃度高于體內(nèi)，為多子（空穴）積累，空間電荷區(qū)是高電導(dǎo)層，此時(shí)形成的是多子反阻擋層。半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第1212頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二 表面態(tài)的影響表面態(tài)的影響實(shí)際情況不能形成良好的歐姆接觸，即，反阻擋層？表面態(tài)產(chǎn)生的原因？分類：施主型表面態(tài)、受主型表面態(tài)位

9、置：？影響：？半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第1313頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二 半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第1414頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二總結(jié)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不少常用半導(dǎo)體， EFs0常位于EC以下2/3Eg處，所以，一般無論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，由于表面態(tài)的存在，都將在表面形成多子的阻擋層。當(dāng)表面態(tài)密度足夠高， 則整個(gè)金-半接觸系統(tǒng)的費(fèi)米能級(jí)將由表面態(tài)費(fèi)米能級(jí)決定，這種情況稱為費(fèi)米能級(jí)的釘扎。此時(shí)：金屬側(cè)的勢(shì)壘高度q m 為：為： q m W Wl l半導(dǎo)

10、體側(cè)的勢(shì)壘高度半導(dǎo)體側(cè)的勢(shì)壘高度qVD 為：為：qVD = EF0- EFs0= Wl- -Wm這時(shí)金半兩側(cè)的勢(shì)壘高度皆為與金屬的功函數(shù)這時(shí)金半兩側(cè)的勢(shì)壘高度皆為與金屬的功函數(shù)Wm無關(guān)無關(guān)半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第1515頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二二、金屬半導(dǎo)體接觸的整流特性金屬-半導(dǎo)體接觸形成阻擋層后具有類似pn結(jié)的整流特性，把它稱作肖特基結(jié)。對(duì)其伏安特性的研究，目前主要有兩種理論，熱電子發(fā)射理論和擴(kuò)散理論。下面以N型半導(dǎo)體、表面勢(shì)壘為電子阻擋層為例介紹此兩種理論。熱電子發(fā)射理論條件：當(dāng)載流子遷移率較高，相應(yīng)的平均自由程ln很

11、大，以至于遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于勢(shì)壘區(qū)厚度xD時(shí)(ln xD)適用于此理論。此時(shí)，電子在勢(shì)壘區(qū)的碰撞可以忽略，對(duì)于電子而言，勢(shì)壘的形狀并不重要，起決定作用的是勢(shì)壘頂點(diǎn)的高度半導(dǎo)體體內(nèi)的電子只要有足夠的能量超過勢(shì)壘的頂點(diǎn)，就可以自由地通過阻擋層進(jìn)入金屬；同樣，金屬中能超越勢(shì)壘頂?shù)碾娮右材苓_(dá)到半導(dǎo)體體內(nèi)；所以電流的計(jì)算就歸納為計(jì)算超越勢(shì)壘的載流子數(shù)目，這就是熱電子發(fā)射理論。半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第1616頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二由第三章知道，對(duì)于非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體，單位體積中能量在E E+dE中的電子數(shù)目為：dvvekTmndvevkTmndnvd

12、vmdEvmEEdEeEEkTndEekTNdEeEEhmdnkTvmnkTvmnnnCkTEECkTEECkTEECdnnnFFF222302223022123023212324)2()2(4,21)()4(2)4(2)()2(422-代入，有：上式表示的是按數(shù)率分布的球坐標(biāo)系中，速度在vv+dv 球殼中的電子數(shù)目；顯然在單位體積中，速度在vxvx+dvx、vyvy+dvy 、vz vz+dvz內(nèi)的電子數(shù)目為：半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第1717頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二取垂直于界面由半導(dǎo)體指向金屬的方向?yàn)関x 的正方向，顯然就

13、單位截面積而言，大小為vx的體積中，在其內(nèi)的所有電子，單位時(shí)間內(nèi)都可以達(dá)到金屬和半導(dǎo)體的界面：這些電子總數(shù)為：dN = vx.1.1.dn 在半導(dǎo)體側(cè)的這些電子中，有能力越過勢(shì)壘到達(dá)金屬的電子，其vx 必須達(dá)到：2/102)(21)(21VVqmvVVqvmDnxDxn-zyxkTvvvmndvdvdvvekTmndnzyxn22)(2304)2(222-半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第1818頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二即：僅有vx在vx0,+ 范圍內(nèi)的電子可以越過勢(shì)壘，所以，單位時(shí)間內(nèi)，達(dá)到金-半界面的電子數(shù)為：這時(shí)所形成的電流為：

14、 -0 xvdNN常數(shù)稱為其中，RichardsonkqmhAeeTAdNqqNJkTqVkTqvmsnsx2*32410- 電子從金屬向半導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)（發(fā)射）時(shí)遇到的勢(shì)壘高度為q m ，不隨外加電壓而改變， 故電流是個(gè)恒定值，它在熱平衡時(shí)(V=0)與從半導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)（發(fā)射）到金屬的電子流相抵消，即：半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第1919頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二電流的表達(dá)式還可以寫成以下形式：nkTqVkTqVkTEEnkTqVkTEEkTqVnnFCDmnkTqVkTqnmkTveenvqJehkTmneeeTkqmhJEEqVqkqm

15、hAeeTAJFDFCFFCDFm8),1(4)2(2) 1(41)(41) 1(0232022323*2*-其中) 1() 1(002*2*0-kTqVkTqVkTqsmmsnkTqsmVmssmFFmmFeJeeTAJJJeTAJJJ總電流形式為：半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第2020頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二討論：電流通過熱電子發(fā)射過程的輸運(yùn)： Si、Ge、GaAs材料的載流子遷移率較高，熱電子發(fā)射理論對(duì)它們比較適用。 半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第2121頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月212

16、1日星期二日星期二擴(kuò)散理論當(dāng)載流子遷移率比較低，以至平均自由程ln遠(yuǎn)小于勢(shì)壘區(qū)寬度xD時(shí)(ln xD )，電子通過勢(shì)壘區(qū)要發(fā)生多次碰撞，這時(shí)適用于此理論。2/100002/100200022)(2,)(2)21()()()(00)(0)0(-DsrdVdDsrdnsdrDdrDdnsddddrDqNVxxqNVVxxxxqNxVxxqNdxdVxEVxdxdVxExxxxxxqNdxVd參考點(diǎn)）取金屬的費(fèi)米能級(jí)作為半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第2222頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二通過勢(shì)壘的電流密度。根據(jù)電流密度方程)exp()(,2)

17、()(exp()()(exp(0 x)(exp()()(exp()()(,)()()()()()(02000/ )(kTqNnxnxqNxVkTxqVxndxdqDdxkTxqVJxxxkTxqVxndxdqDkTxqVJedxxdVxEDkTqdxxdndxxdVkTxqnqDdxxdnDxExnqJncdnsdrDdxnxdnkTxqVnnnnndd-積分。到從對(duì)上式兩邊同乘半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第2323頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二假定半導(dǎo)體是非簡(jiǎn)并的。體內(nèi)濃度仍為n0.X=0,V(0)=-ns. )exp()(exp(1

18、)(2exp()exp(,)()exp(1)exp()(exp()(20 1)exp()(exp()(exp(20000002200022200002000kTqxNqTkdxkTxqVkTVVqTkxNqkTVVqTkxNqkTqxNqTkdxkTxqVxxqNxVxxxxkTqVkTVqnqDdxkTxqVJnsdDrxsrDsrDnsdDrxnsrdDdsnsnxddddd-由于附近，對(duì)左側(cè)積分項(xiàng)處理，在半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第2424頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二 。隨電壓變化，并不飽和當(dāng)當(dāng)最后電流密度sDsDsDnDDr

19、DnssrDcnsDsDJJJVkTqVJJVqnkTqVVVqNkTqVVqNkTNDqJkTqVJJ-, 0)exp(, 0)exp(2)exp()(2) 1)(exp(002/102/1002半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第2525頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二 討論：其飽和電流不飽和，隨外加電壓V變化。 擴(kuò)散理論適用于一些載流子遷移率較低的材料，例如CdS等。半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第2626頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二肖特基結(jié)的特點(diǎn) 肖特基結(jié)的電流主要是多子電流少子注入以金屬N型半導(dǎo)體接觸為例，正向偏置下，在電子由半導(dǎo)體側(cè)發(fā)射到金屬側(cè)形成多子電流的同時(shí)，金屬中費(fèi)米能級(jí)附近的空穴也可以跨越勢(shì)壘Eg-qm，由金屬進(jìn)入半導(dǎo)體形成少子電流，注入的少子在結(jié)邊界處積累， 形成濃度梯度并向體內(nèi)擴(kuò)散，在擴(kuò)散過程中同時(shí)與多子復(fù)合，轉(zhuǎn)化為多子電流。半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)北工大電控學(xué)院北工大電控學(xué)院 第第2727頁(yè)頁(yè)20201010年年1212月月2121日星期二日星期二 肖特基結(jié)的正向壓降小肖特基結(jié)的反向漏電流大，不飽和，而且溫度升高，漏電流迅速增大。 同樣的正向電流下，同樣的正向電流下，肖特基結(jié)的正向壓降小，一般為肖特基結(jié)的正向壓降小，一般為0