第七章 金屬-半導(dǎo)體接觸

第七章金屬和半導(dǎo)體的接觸

1、金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖（1）金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)

在絕對零度時，金屬中的電子填滿了EF以下所有能級，而高于EF的能級則全空,在一定溫度下，只有EF附近的少數(shù)電子受熱激發(fā)，由低于EF的能級躍遷到高于EF的能級上，但絕大部分電子仍不能脫離金屬而逸出體外。

這說明金屬中的電子雖然能在金屬中自由運動，但絕大多數(shù)所處的能級都低于體外能級,要使電子從金屬中逸出，必須由外界給它足夠能量。所以，金屬內(nèi)部電子是在勢阱中運動。金屬的功函數(shù)Wm金屬的功函數(shù)表示一個起始能量等于費米能級的電子，由金屬內(nèi)部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。E0(EF)mWmE0為真空中電子的能量，又稱為真空能級。半導(dǎo)體的功函數(shù)WsE0與費米能級之差稱為半導(dǎo)體的功函數(shù)。Ec(EF)sEvE0χWsχ表示從Ec到E0的能量間隔：稱χ為電子的親和能，它表示要使半導(dǎo)體導(dǎo)帶底的電子逸出體外所需要的最小能量。EnEp式中：n型半導(dǎo)體：Ec(EF)sEvE0χWsEnEpp型半導(dǎo)體：Ec(EF)sEvE0χWsEnEpn型半導(dǎo)體：p型半導(dǎo)體：設(shè)想有一塊金屬和一塊n型半導(dǎo)體，并假定金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)，即：（2）接觸電勢差接觸前：Ec(EF)sEvE0χWsEnWm(EF)mVs為表面勢半導(dǎo)體中的電子金屬—+接觸后：半導(dǎo)體一邊的勢壘高度為：金屬一邊的勢壘高度為：EnEcEv(EF)sqVDqΦnsWmχ金屬與n型半導(dǎo)體接觸接觸電勢差Vs=Ws-WmWm>Ws→形成表面勢壘勢壘區(qū)電子濃度比體內(nèi)小得多→高阻區(qū)(阻擋層)。界面處的勢壘通常稱為肖特基勢壘。若Wm<WsEc(EF)sEvE0χWsEnWm(EF)m金屬與n型半導(dǎo)體接觸時EnEcEv(EF)sqVDX-Wm能帶向下彎曲。這里電子濃度比體內(nèi)大得多，因而是一個高電導(dǎo)的區(qū)域，稱之為反阻擋層。金屬與p型半導(dǎo)體接觸時，若Wm>Ws，能帶向上彎曲，形成P型反阻擋層。金屬與p型半導(dǎo)體接觸時，若Wm<Ws，形成空穴的表面勢壘。在勢壘區(qū)，空間電荷主要由電離受主形成，空穴濃度比體內(nèi)小得多，也是一個高阻區(qū)域，形成P型阻擋層。n型p型Wm>Ws阻擋層反阻擋層Wm<Ws反阻擋層阻擋層上述金半接觸模型即為Schottky模型：（3）表面態(tài)對接觸勢壘的影響這說明：金屬功函數(shù)對勢壘高度影響不大不同金屬，雖功函數(shù)相差很大，但與半導(dǎo)體接觸，形成勢壘的高度相差很小原因：半導(dǎo)體表面存在表面態(tài)從能帶的角度進行解釋

基本概念：表面能級：在半導(dǎo)體表面處的禁帶中存在著表面態(tài)，對應(yīng)的能級成為表面能級。施主型表面態(tài)：能級被電子占據(jù)時呈電中性，施放電子后呈正電性。受主型表面態(tài)：能級空著時為電中性，施放電子后呈負電性。表面態(tài)在半導(dǎo)體表面禁帶中形成一定的分布電子恰好填滿qΦ0以下的所有表面態(tài)-----表面呈電中性qΦ0以下的表面態(tài)空著時-----表面帶正電-----施主型qΦ0以上的表面態(tài)被電子填充時-----表面帶負電-----受主型-+表面態(tài)密度很大時表面積累很多負電荷能帶向上彎曲表面處EF很接近qΦ0（1）流入金屬的電子并不是來自于半導(dǎo)體體內(nèi)，而是由受主表面態(tài)提供(2)半導(dǎo)體的表面態(tài)可屏蔽金屬接觸的作用，使半導(dǎo)體內(nèi)的勢壘高度和金屬的功函數(shù)幾乎無關(guān)。（3）接觸電勢差全部降落在兩個表面之間。實際上：由于表面態(tài)密度的不同，接觸電勢差部分降落在半導(dǎo)體表面以內(nèi)，金屬功函數(shù)會對表面勢壘產(chǎn)生影響，但影響不大。因此即使當Wm<Ws時，也可能形成n型阻擋層。整流理論-阻擋層平衡態(tài)阻擋層—無凈電流2、金屬半導(dǎo)體接觸整流理論在金屬和半導(dǎo)體之間

加上外加電壓？從半導(dǎo)體進入金屬的電子流從金屬進入半導(dǎo)體的電子流以n型半導(dǎo)體為例：阻擋層為高阻區(qū)域—外加電壓主要降落在阻擋層平衡態(tài)時：表面勢VS<0勢壘高度qVD=-qVs外加正電壓：V>0則勢壘高度降低為qVD，=-q(Vs+V)外加一個負電壓V<0，勢壘高度增加Ec(EF)sqΦns-q(Vs+V)qVD外加電壓下，平衡狀態(tài)被打破，金屬半導(dǎo)體沒有統(tǒng)一的費米能級。半導(dǎo)體內(nèi)部費米能級和金屬費米能級之差，等于由外加電壓所引起的靜電勢能差。加正向電壓，形成一股從金屬到半導(dǎo)體的正電流，由多數(shù)載流子電子構(gòu)成。加反向電壓，形成一股從半導(dǎo)體到金屬的反向電流，金屬中電子需越過勢壘，電流很小且恒定。（2）理論解釋①擴散理論對于n型阻擋層，當勢壘的寬度遠大于電子平均自由程，電子通過勢壘區(qū)發(fā)生多次碰撞，這樣的阻擋層稱為厚阻擋層。-------------擴散理論適用于厚阻擋層。勢壘區(qū)存在電場，有電勢變化，載流子濃度不均勻。計算通過勢壘的電流時，必須同時考慮漂移和擴散運動。勢壘區(qū)的電勢分布是比較復(fù)雜的,當勢壘高度遠大于k0T時，勢壘區(qū)可近似為一個耗盡層。耗盡層中，載流子極少，雜質(zhì)全電離，空間電荷完全由電離雜質(zhì)的電荷形成。若半導(dǎo)體是均勻摻雜的，那么耗盡層中的電荷密度也是均勻的，等于qND。當外加電壓V和表面勢Vs符號相同時，不僅勢壘高度增加，且寬度也相應(yīng)增加，勢壘寬度也稱為勢壘厚度。這種厚度依賴于外加電壓的勢壘稱作肖特基勢壘。擴散理論適用于載流子遷移率?。ㄆ骄杂沙梯^短）的半導(dǎo)體—氧化亞銅

②熱電子發(fā)射理論當n型阻擋層很薄，電子平均自由程遠大于勢壘寬度時--------擴散理論不適用，電子在勢壘區(qū)的碰撞可以忽略。勢壘形狀不再重要----------勢壘的高度起絕對作用。電流的計算歸結(jié)為計算超越勢壘高度的載流子數(shù)目。其中A*為有效理查遜常數(shù)。熱電子發(fā)射理論適用于具有較高載流子遷移率（比較大自由程）的半導(dǎo)體---如Si、Ge、GaAs。

③鏡像力和隧道效應(yīng)的影響實際上電流隨反向電壓的增加比理論值更為明顯。原因：采用了高度理想模型如精確描述性能需考慮鏡像力和隧道效應(yīng)的影響。鏡像力和隧道效應(yīng)對伏-安特性的影響基本相同。它們引起勢壘高度的降低，使反向電流增大，且隨反向電壓提高，勢壘降低更為明顯。若電子距金屬表面的距離為x，則它與感應(yīng)正電荷之間的吸引力，相當于該電子與位于(–x)處的等量正電荷之間的吸引力，這個正電荷稱為鏡像電荷。在金屬–真空系統(tǒng)中，一個在金屬外面的電子，要在金屬表面感應(yīng)出正電荷，同時電子要受到正電荷的吸引。（1）鏡像力的影響鏡像電荷電子–x′nx鏡像電荷這個吸引力稱為鏡像力，它應(yīng)為把電子從x點移到無窮遠處，電場力所做的功半導(dǎo)體和金屬接觸時，在耗盡層中，選(EF)m為勢能零點，由于鏡像力的作用，電子的勢能qΔΦqΦns(EF)m0無鏡像力有鏡像力xm鏡像勢能平衡時鏡像力對勢壘的影響x電勢能在xm處出現(xiàn)極大值，這個極大值發(fā)生在作用于電子上的鏡像力和電場力相平衡的地方，即若,從上式得到勢壘頂向內(nèi)移動，并且引起勢壘的降低q

。勢能的極大值小于qΦns。這說明，鏡象力使當反向電壓較高時，勢壘的降低變得明顯，鏡像力的影響顯得重要。鏡像力所引起的勢壘降低量隨反向電壓的增加而緩慢地增大不考慮鏡像力的影響時考慮鏡像力的影響時JsD中的變?yōu)閂,JsD

（2）隧道效應(yīng)的影響能量低于勢壘頂?shù)碾娮佑幸欢ǜ怕蚀┻^勢壘，穿透的概率與電子能量和勢壘厚度有關(guān)隧道效應(yīng)的簡化模型對于一定能量的電子，存在一個臨界勢壘厚度xc,若xd>xc,則電子完全不能穿過勢壘；若xd<xc,則勢壘對于電子完全透明，即勢壘降低了.金屬一邊的有效勢壘高度為-qV(x),若xc<<xd隧道效應(yīng)引起的勢壘降低為反向電壓較高時，勢壘的降低才明顯④肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管：利用金屬-半導(dǎo)體整流接觸特性制成的二極管。肖特基勢壘二極管與pn結(jié)二極管的區(qū)別：（1）多數(shù)載流子器件和少數(shù)載流子器件（2）無電荷存貯效應(yīng)和有電荷存貯效應(yīng)（3）高頻特性好。（4）正向?qū)妷盒?。P電子擴散區(qū)結(jié)區(qū)空穴擴散區(qū)N

3少數(shù)載流子的注入與歐姆接觸①少數(shù)載流子的注入n型阻擋層，體內(nèi)電子濃度為n0。金半接觸截面電子濃度：該濃度差引起電子由內(nèi)部向接觸面擴散。平衡時擴散和勢壘電場引起的漂移抵消。正向偏壓下，擴散占據(jù)優(yōu)勢，電子向表面流動，形成正向電流。多子的情況空穴的濃度在表面最大

n型半導(dǎo)體的勢壘和阻擋層都是對電子而言，由于空穴所帶電荷與電子電荷符號相反，電子的阻擋層就是空穴的積累層。少子的情況該濃度差引起空穴由表面向體內(nèi)擴散。平衡時擴散和勢壘電場引起的漂移抵消。正向偏壓下，擴散占據(jù)優(yōu)勢，空穴向體內(nèi)流動，也形成正向電流。

空穴電流的大小，首先決定于阻擋層中的空穴濃度。只要勢壘足夠高，靠近接觸面的空穴濃度就可以很高。由以上討論可知：部分正向電流是由少數(shù)載流子空穴荷載的。Ec(0)Ev(0)EcEFEvn型反型層中的載流子濃度如果在接觸面附近，費米能級和價帶頂?shù)木嚯x則p(0)值應(yīng)和n0值相近，n(0)也近似等于p0Ec(0)Ev(0)EcEFEvn型反型層中的載流子濃度勢壘中空穴和電子所處的情況幾乎完全相同，只是空穴的勢壘頂在阻擋層的內(nèi)邊界。

在加正向電壓時，空穴將流向半導(dǎo)體，但它們并不能立即復(fù)合，必然要在阻擋層內(nèi)界形成一定的積累，然后再依靠擴散運動繼續(xù)進入半導(dǎo)體內(nèi)部。(EF)mEc積累擴散少數(shù)載流子的積累(EF)s上圖說明這種積累的效果顯然是阻礙空穴的流動。因此，空穴對電流貢獻的大小還決定于空穴進入半導(dǎo)體內(nèi)擴散的效率。在金屬和n型半導(dǎo)體的整流接觸上加正電壓時，就有空穴從金屬流向半導(dǎo)體。這種現(xiàn)象稱為少數(shù)載流子的注入。

空穴從金屬注入半導(dǎo)體，實質(zhì)上是半導(dǎo)體價帶頂部附近的電子流向金屬，填充金屬中(EF)m以下的空能級，而在價帶頂附近產(chǎn)生空穴。②歐姆接觸定義：不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，不會使半導(dǎo)體內(nèi)部載流子濃度發(fā)生顯著改變。技術(shù)路線設(shè)計：反阻擋層？隧道效應(yīng)？半導(dǎo)體在重摻雜時，和金屬的接觸可以形成接近理想的歐姆接觸。在半導(dǎo)體上制作一層重摻雜區(qū)后再與金屬