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1、第第7 7章章 金属和半导体的接触金属和半导体的接触7.1 金属半导体接触及其能级图7.1.1 金属和半导体的功函数l金属功函数金属功函数l金金属属功功函函数数随随原原子子序序数数的的递递增增呈呈现现周周期期性性变变化化，功功函函数数的的大大小小显显示示出出金金属属中中电电子子离离开开金金属属表表面面成成为为自自由由电电子子的的难难以以程程度度，功功函函数数大大的的金金属属稳稳定定性性也也较强。较强。l半导体功函数半导体功函数l电子亲和能电子亲和能 故故 其中其中7.1 金属半导体接触及其能级图7.1.1 金属和半导体的功函数7.1 金属半导体接触及其能级图7.1.2 接触电势差金属与金属与n
2、 n型半导体接触为例（型半导体接触为例（WmWsWmWs）l接触前接触前7.1 金属半导体接触及其能级图7.1.2 接触电势差l金属和半导体间距离金属和半导体间距离D D远大于原子间距，电势远大于原子间距，电势差主要落在界面间隙中。差主要落在界面间隙中。l Vms Vms是由于接触而产生的电是由于接触而产生的电 势差，称为势差，称为接触电势差接触电势差。 +- - - - - =WM-WS半导体表半导体表面出现空面出现空间电荷区间电荷区7.1 金属半导体接触及其能级图7.1.2 接触电势差l随随着着D D的的减减小小，电电势势差差同同时时落落在在两两界界面面间间及及半半导体表面的空间电荷区内。
3、导体表面的空间电荷区内。V VS S是半导体表面与内部之间是半导体表面与内部之间存在的电势差，即为存在的电势差，即为表面势表面势。半导体表半导体表面出现空面出现空间电荷区间电荷区电场电场7.1 金属半导体接触及其能级图7.1.2 接触电势差l若若D D小小到到可可以以与与原原子子间间距距相相比比较较，电电势势差差全全部部落落在在半导体表面的空间电荷区内。半导体表面的空间电荷区内。电场电场=-qV=-qVS SV VS S0Wsn型阻挡层）7.1 金属半导体接触及其能级图7.1.2 接触电势差E空间电荷区空间电荷区电场及表面势电场及表面势能带情况能带情况接触类型接触类型电场电场V VS S007
4、.1 金属半导体接触及其能级图7.1.2 接触电势差l金属和n型半导体接触（Wm007.1 金属半导体接触及其能级图7.1.2 接触电势差l金属和p型半导体接触（WsWmp型阻挡层）电场电场V VS S007.1 金属半导体接触及其能级图7.1.2 接触电势差l金属和p型半导体接触（WmWsp型反阻挡层）电场电场V VS S00V0 若金属接电源正极，若金属接电源正极，n n型半导体接电源负极，则外型半导体接电源负极，则外加电压主要降落在阻挡层上，外电压方向由金属指向半加电压主要降落在阻挡层上，外电压方向由金属指向半导体，外加电压方向和接触表面势方向导体，外加电压方向和接触表面势方向( (半导
5、体表面空半导体表面空间电荷区内电场间电荷区内电场) )相反，使势垒高度下降，电子顺利的相反，使势垒高度下降，电子顺利的流过降低了的势垒。流过降低了的势垒。从半导体流向金属的电子数超过从从半导体流向金属的电子数超过从金属流向半导体的电子数，形成从金属流向半导体的正金属流向半导体的电子数，形成从金属流向半导体的正向电流。向电流。7.2 金属半导体接触整流理论7.2.1 金属半导体接触整流特性内电场方向内电场方向外电场方向外电场方向7.2 金属半导体接触整流理论7.2.1 金属半导体接触整流特性l（3 3）V0V0V0时，若时，若qVkqVk0 0T T，则，则l当当V0Vk|qV|k0 0T T，
6、则，则l该该理理论论是是用用于于迁迁移移率率较较小小，平平均均自自由由程程较较短短的的半半导导体，如氧化亚铜。体，如氧化亚铜。7.2 金属半导体接触整流理论7.2.2 金属半导体整流接触电流电压方程l热电子发射理论热电子发射理论l当当n n型型阻阻挡挡层层很很薄薄，电电子子平平均均自自由由程程远远大大于于势势垒垒宽宽度度。起起作作用用的的是是势势垒垒高高度度而而不不是是势势垒垒宽宽度度，电电流流的的计计算算归归结结为为超越势垒的载流子数目。超越势垒的载流子数目。l假定，由于越过势垒的电子数只占半导体总电子数很少假定，由于越过势垒的电子数只占半导体总电子数很少一部分，故半导体内的电子浓度可以视为
7、常数。一部分，故半导体内的电子浓度可以视为常数。l讨论非简并半导体的情况。讨论非简并半导体的情况。 7.2 金属半导体接触整流理论7.2.2 金属半导体整流接触电流电压方程l针对针对n n型半导体，电流密度型半导体，电流密度其中理查逊常数其中理查逊常数GeGe、SiSi、GaAsGaAs有较高的载流子迁移率，有较大的平均自由有较高的载流子迁移率，有较大的平均自由程，因此在室温下主要是多数载流子的热电子发射。程，因此在室温下主要是多数载流子的热电子发射。l两两种种理理论论结结果果表表示示的的阻阻挡挡层层电电流流与与外外加加电电压压变变化化关关系系基基本本一一致致，体体现现了了电电导导非非对对称称
8、性性正正向向电电压压，电电流流随随电电压指数增加；反向电压，电流基本不随外加电压而变化压指数增加；反向电压，电流基本不随外加电压而变化lJ JSDSD与与外外加加电电压压有有关关；J JSTST与与外外加加电电压压无无关关，强强烈烈依依赖赖温温度度T T。当当温温度度一一定定，J JSTST随随反反向向电电压压增增加加处处于于饱饱和和状状态态，称之为反向饱和电流。称之为反向饱和电流。7.2 金属半导体接触整流理论7.2.2 金属半导体整流接触电流电压方程7.2 金属半导体接触整流理论7.2.3 肖特基势垒二极管 肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管利用金属利用金属- -半导体整流接触特性制成半导体
9、整流接触特性制成的二极管。的二极管。l与与pnpn结的相同点结的相同点： l单向导电性单向导电性 。l与与pnpn结的不同点结的不同点：lpnpn结结正正向向电电流流为为非非平平衡衡少少子子扩扩散散形形成成的的电电流流, ,有有显显著著的的电电荷荷存存储储效效应应；肖肖特特基基势势垒垒二二极极管管的的正正向向电电流流主主要要是是半半导导体体多多数数载载流流子子进进入入金金属属形形成成的的，是是多多子子器器件件，无无积积累累，因此高频特性更好；因此高频特性更好；l肖肖特特基基二二极极管管JsDJsD和和JsTJsT比比pnpn结结反反向向饱饱和和电电流流JsJs大大得得多多，因因此此对对于于同同
10、样样的的使使用用电电流流，肖肖特特基基二二极极管管有有较较低低的的正正向向导通电压。导通电压。7.3 少数载流子的注入和欧姆接触7.3.1 少数载流子的注入ln n型型阻阻挡挡层层，体体内内电电子子浓浓度度为为n n0 0，接接触面处的电子浓度是触面处的电子浓度是l电电子子的的阻阻挡挡层层就就是是空空穴穴积积累累层层。在在势势垒垒区区，空空穴穴的的浓浓度度在在表表面面处处最最大大。体内空穴浓度为体内空穴浓度为p p0 0，则表面浓度为，则表面浓度为l平衡时，空穴的扩散运动和由于内电场产生的漂移运动相平衡时，空穴的扩散运动和由于内电场产生的漂移运动相等，净电流为零。等，净电流为零。l加正压时，势
11、垒降低，除了前面所提到的电子形成的电子加正压时，势垒降低，除了前面所提到的电子形成的电子流以外，空穴的扩散运动占优，形成自金属向半导体内部流以外，空穴的扩散运动占优，形成自金属向半导体内部的空穴流，形成的电流与电子电流方向一致，因此总的正的空穴流，形成的电流与电子电流方向一致，因此总的正向电流包含电子流和少数载流子空穴流。向电流包含电子流和少数载流子空穴流。l空空穴穴电电流流大大小小，取取决决于于阻阻挡挡层层的的空空穴穴浓浓度度和和空空穴穴进进入入半半导导体内扩散的效率体内扩散的效率。7.3 少数载流子的注入和欧姆接触7.3.1 少数载流子的注入l平衡时，如果接触面处有平衡时，如果接触面处有l
12、此此时时若若有有外外加加电电压压，空空穴穴电电流流的贡献就很重要了。的贡献就很重要了。7.3 少数载流子的注入和欧姆接触7.3.1 少数载流子的注入l加正电压时，势垒两边加正电压时，势垒两边界处的电子浓度将保持界处的电子浓度将保持平衡值，而空穴先在阻平衡值，而空穴先在阻挡层内界形成积累，然挡层内界形成积累，然后再依靠扩散运动继续后再依靠扩散运动继续进入半导体内部。进入半导体内部。7.3 少数载流子的注入和欧姆接触7.3.1 少数载流子的注入7.3 少数载流子的注入和欧姆接触7.3.1 少数载流子的注入l综综上上，在在金金属属和和n n型型半半导导体体的的整整流流接接触触上上加加正正向向电电压压
13、时时，就就有有空空穴穴从从金金属属流流向向半半导导体体，这这种种现现象象称称为为少少数数载载流流子子的注入的注入。l加加正正向向电电压压时时，少少数数载载流流子子电电流流与与总总电电流流值值比比称称为为少少数数载流子的注入比，用载流子的注入比，用表示。对表示。对n n型阻挡层而言型阻挡层而言7.3 少数载流子的注入和欧姆接触7.3.2 欧姆接触l欧姆接触欧姆接触l金金属属与与半半导导体体形形成成的的非非整整流流接接触触，这这种种接接触触不不产产生生明明显显的的附附加加阻阻抗抗，而而且且不不会会使使半半导导体体内内部部的的平平衡衡载载流子浓度发生显著的变化。流子浓度发生显著的变化。l实现实现 l
14、反反阻阻挡挡层层没没有有整整流流作作用用，但但由由于于常常见见半半导导体体材材料料一一般般都都有有很很高高的的表表面面态态密密度度，因因此此很很难难用用选选择择金金属属材材料的办法来获得欧姆接触。料的办法来获得欧姆接触。 l重重掺掺杂杂的的半半导导体体与与金金属属接接触触时时，则则势势垒垒宽宽度度变变得得很很薄薄，电电子子通通过过隧隧道道效效应应贯贯穿穿势势垒垒产产生生大大隧隧道道电电流流，甚甚至至超超过过热热电电子子发发射射电电流流而而成成为为电电流流的的主主要要成成分分，即即可可形形成成接接近近理理想想的的欧姆接触。欧姆接触。 常常常常是是在在n型型或或p型型半半导导体体上上制制作作一一层
15、层重重掺掺杂杂区区域域后后再再与与金属接触，形成金属金属接触，形成金属-n n或金属或金属-p p型结构。型结构。7.3 少数载流子的注入和欧姆接触7.3.2 欧姆接触+l接触电阻：零偏压下的微分电阻接触电阻：零偏压下的微分电阻l把导带底把导带底E Ec c选作电势能的零点，可得选作电势能的零点，可得l电子势垒电子势垒l令令y=dy=d0 0-x-x，则，则7.3 少数载流子的注入和欧姆接触7.3.2 欧姆接触l根根据据量量子子力力学学中中的的结结论论，x=dx=d0 0处处导导带带底底电电子子通通过过隧隧道道效效应贯穿势垒的隧道概率为应贯穿势垒的隧道概率为l有有外外加加电电压压时时，势势垒垒
16、宽宽度度为为d d，表表面面势势为为(V(Vs s) )0 0+V+V，则则隧道概率隧道概率7.3 少数载流子的注入和欧姆接触7.3.2 欧姆接触l隧道电流与隧道概率成正比隧道电流与隧道概率成正比l进而可得到进而可得到7.3 少数载流子的注入和欧姆接触7.3.2 欧姆接触l一、金属一、金属-半导体接触形成的四种接触类型（半导体接触形成的四种接触类型（4个个方面、能带图）；方面、能带图）；l二、金属二、金属-半导体的整流接触的理论分析；两种电半导体的整流接触的理论分析；两种电流流-电压方程；电压方程；肖特基二极管与肖特基二极管与pnpn结二极管的差异；结二极管的差异；l三、少数载流子注入和欧姆接触的概念；三、少数载流子注入和欧姆接触的概念；本章主要内容回顾：本章主要内容回顾：39 以上有不当之处，请大家给与批评指正，以上有不当之处，请大家给与批评指正，谢谢大家！谢谢大家！
