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1、第八章 金属和半导体的接触,.1 金属半导体接触及能级图,1. 金属和半导体的功函数,金属中的电子绝大多数所处的能级都低于体外能级。,金属功函数的定义: 真空中静止电子的能量 E0 与 金属的 EF 能量之差，即,上式表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小值。,金属中的电子势阱,EF,Wm 越大, 金属对电子的束缚越强,在半导体中，导带底 EC 和价带顶 EV 一般都比 E0 低几个电子伏特。,半导体功函数的定义: 真空中静止电子的能量 E0 与 半导体的 EF 能量之差，即,Ws 与杂质浓度有关,E0,EC,EF,EV,Ws,电子的亲合能,2.接触电势差,Ev
2、,Ws,(a) 接触前,半导体的功函数又写为,D,（b）间隙很大 (D原子间距),金属表面负电 半导体表面正电,Vm: 金属的电势 Vs: 半导体的电势,平衡时, 无电子的净流动. 相对于(EF)m, 半导体的(EF)s下降了,接触电势差: 金属和半导体接触而产生的电势差 Vms.,（c）紧密接触,半导体表面有空间 电荷区 空间电荷区内有电场 电场造成能带弯曲,E,+,_,因表面势 Vs 0,能带向上弯曲,qVD,接触电势差一部分降落在空间电荷区, 另一 部分降落在金属和半导体表面之间,若D原子间距, 电子可自由穿过间隙, Vms0, 则接触电势差大部分降落在空间电荷区,（d）忽略间隙,qVD
3、,半导体一边的势垒高度,金属一边的势垒高度,半导体表面形成一个正的空间电荷区 电场方向由体内指向表面 (Vs0) 半导体表面电子的能量高于体内的，能 带向上弯曲，即形成表面势垒,当金属与n型半导体接触,WmWs,在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成， 电子浓度要比体内小得多，因此它是一个高 阻的区域，常称为阻挡层。,WmWs,当金属与n型半导体接触,半导体表面形成一个负的空间电荷区 电场方向由表面指向体内(Vs0) 半导体表面电子的能量低于体内的，能 带向下弯曲,在空间电荷区中，电子浓度要比体内大得多， 因此它是一个高电导的区域，称为反阻挡层。,Ec,Ev,EF,Ws-Wm,-Wm,金属和
4、n 型半导体接触能带图,(WmWs),反阻挡层薄, 高电导, 对接触电阻影响小,能带向下弯曲, 造成空穴的势垒, 形成 p 型阻挡层,当金属与 p 型半导体接触,能带向上弯曲, 形成 p 型反阻挡层,Wm,Ec,Ev,Ec,Ev,金属和p型半导体接触能带图,(a),(b),(a) p型阻挡层(WmWs),形成n型和p型阻挡层的条件,WmWs,WmWs,n 型,p 型,阻挡层,反阻挡层,阻挡层,反阻挡层,3. 表面态对接触势垒的影响,金属和n半导体接触时, 形成的金属的势垒高度,同一半导体, 不变. qns 应随 Wm 而变?,事实上, 由于半导体表面态的存在, Wm 对 qns 的影响不大,表
5、面态分施主表面态和受主表面态，在半导体 表面禁带中形成一定的分布，存在一个距价带 顶为 q0 的能级,对多数半导体， q0 约为禁带宽度的1/3, 电子填满q0 以下所有表面态时，表面电中性 q0 以下的表面态空着时，表面带正电， 呈现施主型 q0 以上的表面态被电子填充时，表面带负电， 呈现受主型,存在受主表面态时 n 型半导体的能带图,EF,qns,Ws,q0,qVD,EV,EC,若表面态密度很大，只要 EF 比 q0 高一点， 表面上就会积累很多负电荷，能带上弯,存在高表面态 密度时n型半 导体的能带图,qns,Ws,q0,En,EF,EV,Ec,高表面态密度时，势垒高度,势垒高度称为被
6、高表面态密度钉扎,无表面态，半导体的功函数,有表面态，即使不与金属接触，表面也形成势垒， 半导体的功函数（形成电子势垒时）,表面态密度很高时,费米能级钉扎效应： 在半导体表面，费米能级的位置由表面态决定， 而与半导体掺杂浓度无关的现象。,表面受主态密度很高的n型半导体与金属接触能带图,(a) 接触前,E0,Wm,(EF)m,qns,(EF)s,EC,qVD,(省略表面态能级）,金和半接触时, 当半导体的表面态密度很高时,电子从半导体流向金属 这些电子由受主表面态提供 平衡时，费米能级达同一水平,Wm,(EF)s,EC,qVD,Wm-Ws,(b) 紧密接触,空间电荷区的正电荷 表面受主态上的负电
7、荷 金属表面负电荷,表面受主态密度很高的n型半导体与金属接触能带图,(c) 极限情形,(EF)s,EC,qns,半导体的势垒高度,半导体内的表面势垒 qVD 在接触前后不变,因表面态密度很高，表面态中跑掉部分电子后， 表面能级 q0 的位置基本不变,势垒高度,金属和 p 型半导体接触时情形类似,金半接触的的势垒高度与金属的功函数无关 只取决于表面能级的位置,当表面态起主要作用时,表面态密度不同，紧密接触时，接触电势差有一部分要降落在半导体表面以内，金属功函数对表面势垒将产生不同程度的影响，但影响不大。,但是,.2 金属半导体接触（阻挡层） 整流理论,金 n 型半接触，Wm Ws 时，在半导体
8、表面形成一个高阻区域，叫阻挡层,有外加 V 时，表面势为(Vs)0V,无外加 V 时，表面势为(Vs)0,电子势垒高度为,V 与 (Vs)0 同符号时，阻挡层势垒提高,V 与 (Vs)0 反符号时，阻挡层势垒下降,外加电压对 n 型阻挡层的影响,(a) V=0,qns,qVD =q(Vs)0,外加电压对 n 型阻挡层的影响,(b) V 0,qns,qV,q(Vs)0+V,金属正，半导体负,从半到金的电子数目增加， 形成从金到半的正向电流， 此电流由多子构成,V, 势垒下降越多， 正向电流越大,因 Vs0,(c) V 0,金属负，半导体正,- qV,qns,q(Vs)0+V,从半到金的电子数目减
9、少， 金到半的电子流占优势 形成从半到金的反向电流,金属中的电子要越过很高的 势垒 qns，所以反向电流很小,qns不随V变，所以从金到半的电子流恒定。,V, 反向电流饱和,阻挡层具有整流作用,对p型阻挡层,V0, 金属正偏，形成反向电流,1. 厚阻挡层的扩散理论,对n型阻挡层，当势垒的宽度比电子的平均自由程大得多时，电子通过势垒区要发生多次碰撞。,当势垒高度远大于 kT 时，势 垒区可近似为一个耗尽层。,厚阻挡层,须同时考虑漂移和扩散,0,xd,x,qns,EF,0,0,V,En=qn,耗尽层中，载流子极少，杂质全电离，空间电荷完全由电离杂质的电荷形成。,这时的泊松方程是,若半导体是均匀掺杂
10、的，那么耗尽层中的电 荷密度也是均匀的，等于qND。,0,势垒宽度,V与(Vs)0同号时，势垒高度提高，势垒宽度增大,厚度依赖于外加电压的势垒，叫肖特基势垒。,考虑漂移和扩散，流过势垒的电流密度,V0 时，若 qVkT, 则,VkT, 则,JsD 随电压变化，不饱和,金属半导体接触伏安特性,V,I,扩散理论适用于 迁移率小的半导体,计算超越势垒的载流子数目（电流）就是热电子发射理论。,2. 热电子发射理论,N型阻挡层很薄时: 电子的平均自由程远大于势垒宽度， 扩散理论不再适用. 电子在势垒区的碰撞可忽略，势垒高度起作用,以n型阻挡层为例，且假定势垒高度,电子从金属到半导体所面临的势垒高度不随外
11、加电压变化。从金属到半导体的电子流所形成的电流密度J m s是个常量，它应与热平衡条件下，即V=0时的 J s m大小相等，方向相反。因此，,有效理查逊常数,热电子向真空发射的有效理查逊常数,由上式得到总电流密度为：,Ge, Si, GaAs的迁移率高，自由程大，它们的 肖特基势垒中的电流输运机构，主要是多子 的热电子发射。,热电子发射理论得到的伏安特性与扩散理论 的一致。,3. 镜象力和隧道效应的影响,锗检波器的反向特性,若电子距金属表面的距离为x，则它与感应正电荷之间的吸引力，相当于该电子与位于(x)处的等量正电荷之间的吸引力，这个正电荷称为镜象电荷。,在金属真空系统中，一个在金属外面的电
12、子，要在金属表面感应出正电荷，同时电子要受到正电荷的吸引。,（1）镜象力的影响,+,-,镜象电荷,电子,x,n,x,镜 象 电 荷,这个吸引力称为镜象力，它应为,把电子从x点移到无穷远处，电场力所做的功,半导体和金属接触时，在耗尽层中，选(EF)m 为势能零点，由于镜像力的作用，电子的势能,q,qns,(EF)m,0,无镜象力,有镜象力,xm,镜象势能,平衡时镜象力对势垒的影响,x,电势能在 xm 处出现极大值，这个极大值发生在作用于电子上的镜象力和电场力相平衡的地方，即,若 , 从上式得到,势垒顶向内移动，并且引起势垒的降低 q 。,势能的极大值小于qns。这说明，镜象力使,平衡时， q 很
13、小，可忽略,外加电压非平衡时， 势垒极大值所对应的x值,当反向电压较高时，势垒的降低变得明显，镜象力的影响显得重要。,势垒的降低量,镜象力所引起的势垒降低量随反向电压的增加 而缓慢地增大,不考虑镜像力的影响时,考虑镜像力的影响时,JsD中的,变为,V , JsD ,（2）隧道效应的影响,能量低于势垒顶的电子有一定概率穿过势垒， 穿透的概率与电子能量和势垒厚度有关,隧道效应的简化模型,对于一定能量的电子，存在一个临界势垒厚度xc, 若 xdxc, 则电子完全不能穿过势垒； 若 xdxc, 则势垒对于电子完全透明，即势垒降低了.,金属一边的有效势垒高度为 -qV(x), 若xcxd,隧道效应引起的
14、势垒降低为,反向电压较高时，势垒的降低才明显,镜像力和隧道效应对反向特性影响显著,引起势垒高度的降低，使反向电流增加 反向电压越大，势垒降低越显著， 反向电流越大,4.肖特基势垒二极管,肖特基势垒二极管的正向电流，主要是由半导体中的多数载流子进入金属形成的，此二极管将有较低的正向导通电压，一般为03V左右，且有更好的高频特性。,利用金属半导体整流接触特性制成的二极管,3 少数载流子的注入 和欧姆接触,1 少数载流子的注入,N型半导体的势垒和阻挡层都是对电子而言，由于空穴所带电荷与电子电荷符号相反，电子的阻挡层就是空穴的积累层。,空穴的浓度在表面最大,空穴电流的大小，首先决定于阻挡层中的空穴浓度
15、。只要势垒足够高，靠近接触面的空穴浓度就可以很高。,空穴自表面向内部扩散。正偏时，势垒降低， 空穴扩散占优势，形成的电流与电子电流同向。,Ec(0),Ev(0),Ec,EF,Ev,N型反型层中的载流子浓度,如果在接触面附近，费米能级和价带顶的距离,则 p(0) 值应和 n0 值相近，n(0)也近似等于p0,势垒中空穴和电子所处的情况几乎完全相同，只是空穴的势垒顶在阻挡层的内边界。,在加正向电压时，空穴将流向半导体，但它们并不能立即复合，必然要在阻挡层内界形成一定的积累，然后再依靠扩散运动继续进入半导体内部。,(EF)m,Ec,积累,扩散,少数载流子的积累,上图说明这种积累的效果显然是阻碍空穴的流动。因此，空穴对电流贡献的大小还决定于空穴进入半导体内扩散的效率。,在金属和n型半导体的整流接触上加正电压时，就有空穴从金属流向半导体。这种现象称为少数载流子的注入。,空穴从金属注入半导体，实质上是半导体价带顶部附近的电子流向金属，填充金属中(EF)m以下的空能级，而在价带顶附近产生空穴。,2 欧姆接触,金属半导体接触,整流接触肖特基势垒,非整流接触欧姆接触,欧姆接触是指这样的接触：它不产生明显的附近阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。,重掺杂的P-N结可以产生显著的隧道电流。金属和半
