金屬半導(dǎo)體接觸

1、第七章、金屬-半導(dǎo)體接觸 本章在已知半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及JV方程后，討論金屬與半導(dǎo)體接觸的特性。目的：？2010年12月21日星期二 第*1頁(yè)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2010年12月21日星期二 第*2頁(yè)9、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(huà)出它們的能帶圖。(2008) 13（20分）一型半導(dǎo)體Si樣品電阻率為0.4 -cm（300）。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，功函數(shù)分別為：l：4.20，：5.4。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qms和半導(dǎo)體一側(cè)的勢(shì)壘高度qVD。（2007

2、）2010年12月21日星期二 第*3頁(yè)7.1 金屬-半導(dǎo)體接觸及其能帶圖金屬-半導(dǎo)體接觸可以分成兩類(lèi)，一類(lèi)是整流接觸，一類(lèi)是歐姆接觸一、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。Wm=E0-(EF)m電子的親和勢(shì)：=E0-EC半導(dǎo)體中：Ws=+EC-EFs=+En2010年12月21日星期二 第*4頁(yè) 2010年12月21日星期二 第*5頁(yè)二、金屬-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，它們相互緊密接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)差。接觸勢(shì)壘金屬與N型半導(dǎo)體接觸，WmWs 時(shí)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)，使金屬表面荷負(fù)電，電

3、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)，金屬和半導(dǎo)體形成統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。2010年12月21日星期二 第*6頁(yè) 2010年12月21日星期二 第*7頁(yè)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(guò)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，

4、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(chēng)為多子阻擋層。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2010年12月21日星期二 第*8頁(yè)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(guò)勢(shì)壘就可以運(yùn)動(dòng)到對(duì)方，通常稱(chēng)為多子反阻擋層。2010年12月21日星期二 第*9頁(yè) 金屬與P型半導(dǎo)體接觸，Wm

5、Ws 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。2010年12月21日星期二 第*11頁(yè) 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(lèi)：施主型表面態(tài)、受主型表面態(tài)位置：？影響：？2010年12月21日星期二 第*12頁(yè) 2010年12月21日星期二 第*13頁(yè)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(wú)論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)

6、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(chēng)為費(fèi)米能級(jí)的釘扎。此時(shí)：金屬側(cè)的勢(shì)壘高度qm 為： qm Wl半導(dǎo)體側(cè)的勢(shì)壘高度qVD 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)Wm無(wú)關(guān)2010年12月21日星期二 第*14頁(yè)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(lèi)似pn結(jié)的整流特性，把它稱(chēng)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

7、件：當(dāng)載流子遷移率較高，相應(yīng)的平均自由程ln很大，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(guò)勢(shì)壘的頂點(diǎn)，就可以自由地通過(guò)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。2010年12月21日星期二 第*15頁(yè)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：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

8、位體積中，速度在vxvx+dvx、vyvy+dvy 、vz vz+dvz內(nèi)的電子數(shù)目為：2010年12月21日星期二 第*16頁(yè)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(guò)勢(shì)壘到達(dá)金屬的電子，其vx 必須達(dá)到：2010年12月21日星期二 第*17頁(yè)即：僅有vx在vx0,+ 范圍內(nèi)的電子可以越過(guò)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：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

9、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：2010年12月21日星期二 第*18頁(yè)電流的表達(dá)式還可以寫(xiě)成以下形式：2010年12月21日星期二 第*19頁(yè)討論：電流通過(guò)熱電子發(fā)射過(guò)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。 2010年12月21日星期二 第*20頁(yè)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(guò)勢(shì)壘區(qū)要發(fā)生多次碰撞，這時(shí)適用于此理論。2010年12月21日星期二 第*21頁(yè)通過(guò)勢(shì)壘的電流密度。根據(jù)電流密度方程

10、2010年12月21日星期二 第*22頁(yè)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. 2010年12月21日星期二 第*23頁(yè) 2010年12月21日星期二 第*24頁(yè) 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。2010年12月21日星期二 第*25頁(yè)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

11、，在擴(kuò)散過(guò)程中同時(shí)與多子復(fù)合，轉(zhuǎn)化為多子電流。2010年12月21日星期二 第*26頁(yè) 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，肖特基結(jié)的正向壓降小，一般為0.3V左右而Sipn結(jié)一般為0.7V左右2010年12月21日星期二 第*27頁(yè)三、金屬-半導(dǎo)體歐姆接觸任何半導(dǎo)體器件最后都要用金屬與之接觸，并由導(dǎo)線引出，因此，獲得良好的歐姆接觸是十分必要的。 歐姆接觸的要求不產(chǎn)生明顯的附加阻抗；不會(huì)使半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著變化獲得歐姆接觸的幾種途徑 反阻擋層是理想的歐姆接觸2010年12月21日星期二 第*28頁(yè)然而Si、Ge、GaAs這些最重要的半導(dǎo)體材料，一般都有很高的表面態(tài)密度，無(wú)論是N型材料還是P型材料與金屬接觸都形成多子阻擋層，而與金屬的功函數(shù)關(guān)系不大，因此，實(shí)際上這個(gè)方法并不成功2010年12月21日星期二 第*29頁(yè) 利用隧道效應(yīng)制成的歐姆接觸提高表面雜質(zhì)濃度，利用隧道效應(yīng)制成的歐姆接觸，這是目前在生產(chǎn)實(shí)踐中主要使用的方法2010年12月21日星期二 第*30頁(yè)如果半導(dǎo)體摻雜濃度很高，金-半接觸時(shí)產(chǎn)生的勢(shì)壘區(qū)寬度變得很薄，電子通過(guò)隧道效應(yīng)產(chǎn)生相當(dāng)大的隧道電流，甚至超過(guò)熱電子發(fā)射電流而成為電流的主要成分，當(dāng)隧道電流占主導(dǎo)地位時(shí)，它的接觸電阻可以很小，可以用作歐姆接觸。2010年12月