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1、第五章 金属和半导体的接触,5.1金属半导体接触及其平衡态 5.1.1 金属和半导体的功函数 5.1.2 有功函数差的金-半接触 5.1.3 表面态对接触电势差的影响 5.1.4 欧姆接触 5.2 金属半导体接触的非平衡状态 5.2.1 不同偏置状态下的肖特基势垒 5.2.2 正偏肖特基势垒区中的费米能级 5.2.3 厚势垒区金属半导体接触的伏安特性 5.2.4 薄势垒区金属半导体接触的伏安特性 5.2.5 金半接触的少子注入问题 5.2.6 非平衡态肖特基势垒接触的特点及其应用,金属半导体接触,金半接触的整流效应是半导体物理效应的早期发现之一，并且最早付诸应用： 1874年，德国物理学家布劳
2、恩发现金属探针与PbS和FeS2晶体的接触具有不对称的伏安特性； 1876年，英国物理学家亚当斯发现光照能使金属探针与Se的点接触产生电动势； 1883年，福里茨发现金属探针与Se的点接触的整流特性；,金属半导体接触,1904年，美国电气工程师鲍斯获得Si和PbS点接触整流器的专利权 1906年，美国电气工程师皮卡德获得点接触晶体检波器的专利权，这种器件是晶体检波接收机（即矿石收音机）的关键部件； 1920年，硒（Se）金半接触整流器投入应用； 1926年，Cu2O点接触整流二极管问世，并在二战中应用于雷达检波。,第五章 金属和半导体的接触,5.1金属半导体接触及其平衡态 5.1.1 金属和半
3、导体的功函数 5.1.2 有功函数差的金-半接触 5.1.3 表面态对接触电势差的影响 5.1.4 欧姆接触 5.2 金属半导体接触的非平衡状态 5.2.1 不同偏置状态下的肖特基势垒 5.2.2 正偏肖特基势垒区中的费米能级 5.2.3 厚势垒区金属半导体接触的伏安特性 5.2.4 薄势垒区金属半导体接触的伏安特性 5.2.5 金半接触的少子注入问题 5.2.6 非平衡态肖特基势垒接触的特点及其应用,5.1.1 金属和半导体的功函数,1、金属的功函数 2、半导体的功函数,功函数的定义: 真空能级E0与费米能级EF能量之差. W= E0 - EF,金属的功函数:真空能级E0与金属费米能级 EF
4、m能量之差Wm= E0 EFm,1、金属的功函数,金属中的电子虽然在金属中自由运动，但要使电子从金属中逸出必须由外界给它以足够的能量.因此,金属向真空发射电子需要最低能量,这一最低能量定义为金属的功函数.功函数的大小反映了电子在金属中被束缚的强弱。,金属中的电子势阱,几种常见元素的功函数（eV）,几种常见元素的功函数（eV）,2 半导体的功函数,半导体的功函数类似定义为真空能级E0与半导体费米能级EFs能量之差Ws= E0 EFs 半导体的功函数WS是杂质浓度的函数，而不像金属那样基本为一常数。,半导体中的电子从半导体中逸出必须由外界给它以足够的能量.,电子亲合能X 定义:E0与Ec之差,半导
5、体的功函数与杂质浓度的关系,半导体的功函数WS= E0 - EFS,EFS WS ,半导体的功函数与杂质浓度的关系,几种半导体的电子亲和能及其在不同掺杂浓度下的功函数计算值,半导体的功函数WS= E0 - EFS,EFS WS ,5.1.2 有功函数差的金半接触,1、金属n型半导体接触 1) WMWS 2) WMWS 2、金属p型半导体接触 1) WMWS 2) WMWS 3、肖特基势垒接触,1、金属与n型半导体的接触,1) WMWS,当金属费米能级EFm与半导体费米能级EFs相同时二者达到平衡,由于WMWS,表明n型半导体的费米能级EFs高于金属的费米能级EFm ,半导体中的电子向金属中移动
6、,金属表面带负电,半导体表面带正电。,1、金属与n型半导体的接触,WMWS ,表明n型半导体的费米能级EFs高于金属的费米能级EFm ,半导体中的电子向金属中移动,金属表面带负电,半导体表面带正电。,当金属与n型半导体接触时，若WMWS，则在半导体表面形成一个由电离施主构成的正空间电荷区，其中电子浓度极低，是一个高阻区域，常称为电子阻挡层。阻挡层内存在方向由体内指向表面的自建电场，它使半导体表面电子的能量高于体内，能带向上弯曲，即形成电子的表面势垒，因此该空间电荷区又称电子势垒区。,接触电势差与阻挡层,由于WMWS,表明n型半导体的费米能级EFs高于金属的费米能级EFm ,半导体中的电子向金属
7、中移动,金属表面带负电,半导体表面带正电。当金属费米能级EFm与半导体费米能级EFs相同时二者达到平衡,半导体表面形成空间电荷区，电场方向由体内指向表面，使表面电子的能量高于体内,能带向上弯曲构成势垒。由于空间电荷区主要由电离施主形成,是一个高阻区,故称之为n型阻挡层。,2) WMWS的情况,半导体表面带负电,空间电荷区电场的方向由半导体表面指向体内，表面电子的能量低于体内，能带向下弯曲，表面处电子浓度远大于体内。所以此时的空间电荷区是一个很薄的高电导层，称之为反阻挡层，对半导体和金属的接触电阻影响很小。,WMWS, 金属的费米能级高于n型半导体的费米能级,金属中的电子向半导体中移动,在半导体
8、表面形成电子累积的负空间电荷区.,WmWs,n型反阻挡层,2、金属与p型半导体的接触,1）WMWS时，能带向下弯曲成为空穴势 垒，p型阻挡层。 2）WMWS时，能带向上弯曲，形成p型反 阻挡层；,接触电势差 qVms=Wm Ws 表面势Vs: 半导体表面与体内电势之差,半导体侧的势垒高度 qVD=WmWs,金属侧的势垒高度 qns=qVD+En =Wmx,肖特基势垒接触与阻挡层,阻挡层形成的条件,金属与n型半导体接触: WMWS 金属与p型半导体接触: WMWS,肖特基势垒高度只与金属的功函数和半导体的亲和能有关,与半导体掺杂与否没有关系。,3、肖特基(势垒)接触,满足条件WMWS的金属与n型
9、半导体的接触和WMWS的金属与p型半导体的接触。 在这种接触中，电子在接触的两侧面临不同势垒：qm=WM 和 qVD=WM WS,同种半导体与不同金属相接触 同种金属与不同半导体相接触 功函数差就应该是qm之差,既然qm=Wm，那么: 同种半导体与两种不同金属相接触时，这两 种金属的功函数差就应该是电子在两种接触中的qm之差; 同种金属与两种不同半导体相接触时，这两种半导体的功函数差就应该是电子在两种接触中的qm之差。,5.1.3 表面态对接触电势差的影响,实际情况并非如此!,1) 金属与半导体的接触势垒,不同金属:qns Wm,不同半导体:qns x,表面态,分布于半导体表面禁带之中的电子态
10、； 表面态分为施主型和受主型； 在表面态能级中存在一个距离EV约1/3禁带宽度的特征能级q0 ; 在q0以下的表面态基本被电子占满；而q0以上的能级基本空着，与金属的费米能级类似。,半导体表面处的禁带中存在着表面态，对应的能级称为表面能级。表面态一般分为施主型和受主型两种。一般表面态在半导体表面禁带中形成一定的分布，表面处存在一个距离价带顶为q0的能级。对于大多数半导体，q0约为禁带宽度的三分之一。,2) 表面态对半导体功函数的影响,a)表面态使能带在表面层弯曲,存在表面态时的n型半导体,无表面态时的n型半导体,b)、表面态改变了半导体的功函数,表面态密度很高时的n型半导体能带图,表面态密度较
11、低时的n型半导体能带,3) 表面态对接触势垒的影响,a)表面态使金-半接触的势垒高度不等于功函数差,表面态改变了半导体的功函数,由于n型半导体的EF高于q0，而q0以上的表面态空着，所以近表面区的导带电子就会来填充这些能级，于是使表面带负电，同时在近表面附近产生正的空间电荷区，形成电子势垒，平衡时的势垒高度qVD使电子不再向表面填充。,b)表面态密度很高时-势垒钉扎,表面受主态密度很高的n型半导体与金属接触能带图,当半导体与WmWs的金属接触时,半导体中表面态的电子向金属中移动,如果表面态密度很高,则能够提供足够多的电子,而半导体势垒区几乎不发生变化.,因此,如果用表面态密度高的n型半导体与金
12、属相接触，即便WmWs,由于EFS高于EFm，同样会有电子流向金属，但这些电子并不是来自半导体体内，而是由表面态提供。由于表面态密度很高，能放出足够多的电子，所以半导体势垒区的状态几乎不会发生变化。平衡时，金属的费米能级与半导体的费米能级达到同一水平，即也被钉扎在q0附近。 当半导体的表面态密度很高时，由于它可屏蔽金属接触的影响，以至于使得半导体近表面层的势垒高度和金属的功函数几乎无关，而基本上仅由半导体的表面性质所决定 .,b)表面态密度很高时-势垒钉扎,表面态对金半接触的影响 小结,表面态改变了半导体的功函数 表面态使金-半接触的势垒高度不等于功函数差 高表面态密度的半导体可以屏蔽金属接触
13、的影响,本节内容小结,1、半导体的功函数 2、阻挡层的形成 3、表面态对金半接触的影响,1、半导体的功函数,2、阻挡层的形成,金属n型半导体接触 WMWS,金属p型半导体接触 WMWS,3 表面态对金半接触的影响,表面态改变了半导体的功函数，使金-半接触的势垒高度不等于功函数差 高表面态密度的半导体可以屏蔽金属接触的影响 如果用表面态密度很高的半导体与金属相接触，由于半导体表面释放和接纳电子的能力很强，整个金属半导体系统费米能级的调整主要在金属和半导体表面之间进行。这样，无论金属和半导体之间功函数差别如何，由表面态产生的半导体表面势垒区几乎不会发生什么变化。平衡时，金属的费米能级与半导体的费米
14、能级被钉扎在EFS0附近。这就是说，当半导体的表面态密度很高时，由于它可屏蔽金属接触的影响，使得半导体近表面层的势垒高度和金属的功函数几乎无关，而基本上仅由半导体的表面性质所决定。,5.1.4 欧姆接触,不产生明显的附加阻抗，也不会像pn结那样以注入和抽取的方式使半导体的载流子密度发生改变. 任何两种物体的接触都会产生电阻，即接触电阻. 欧姆接触也不例外，但其阻值应为不随电压变化的常数，且在理想情况下应该趋于零 欧姆接触的实现似乎可以选择高电导的反阻挡层金属材料。但高密度表面态的存在使Ge、Si、GaAs这些常用半导体无论与什么样的金属接触都会形成阻挡层，很难形成反阻挡层 。 工程中通常不采用
15、根据功函数选择金属材料的办法，而用对接触面实行重掺杂的方法形成欧姆接触，即通过重掺杂使半导体表面势垒区变得非常窄，借助隧穿效应将势垒接触变为欧姆接触 。 重掺杂pn结的空间电荷区可以薄到电子的隧穿长度之下。这样的pn结因电子隧穿而失去空间电荷区对载流子的阻挡作用。对金半接触而言，如果半导体是重掺杂，其阻挡层也会很薄。 制作欧姆接触最常用的方法就是在半导体表面首先形成一个同型重掺杂薄层，然后再淀积金属，形成金属-n+n或金属-p+p结构。由于低阻接触层的引入，金属的选择就比较自由。 在半导体表面淀积金属电极的方法很多，常用的有蒸发、溅射和电镀等。,第五章 金属和半导体的接触,5.1金属半导体接触
16、及其平衡态 5.1.1 金属和半导体的功函数 5.1.2 有功函数差的金-半接触 5.1.3 表面态对接触电势差的影响 5.1.4 欧姆接触 5.2 金属半导体接触的非平衡状态 5.2.1 不同偏置状态下的肖特基势垒 5.2.2 正偏肖特基势垒区中的费米能级 5.2.3 厚势垒区金属半导体接触的伏安特性 5.2.4 薄势垒区金属半导体接触的伏安特性 5.2.5 金半接触的少子注入问题 5.2.6 非平衡态肖特基势垒接触的特点及其应用,5.2 金属半导体接触的非平衡状态,5.2.1 不同偏置状态下的肖特基势垒 5.2.2 正偏肖特基势垒区中的费米能级 5.2.3 厚势垒区金属半导体接触的伏安特性 5.2.4 薄势垒区金属半导体接触的伏安特性 5.2.5 金半接触的少子注入问题 5.2.6 非平衡态肖特基势垒
