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1、第第 七七 章章 金金 属属 和和 半半 导导 体体 的的 接接 触触Metal-Semiconductor Contact7.1 金属-半导体接触及其能带图一、概述：一、概述：1 1、在微电子和光电子器件中，半导体材料和、在微电子和光电子器件中，半导体材料和金金属属、半导体半导体以及以及绝缘体绝缘体的各种接触是普遍存在的各种接触是普遍存在的，如的，如MOSMOS器件、肖特基二极管、气体传感器等。器件、肖特基二极管、气体传感器等。薄膜技术及纳米技术的发展，使得薄膜技术及纳米技术的发展，使得界面接触界面接触显显得更加重要。得更加重要。二、金属和半导体的功函数二、金属和半导体的功函数W Wm m、
2、W Ws s1 1、金属的功函数、金属的功函数W Wm m表示一个起始能量等于费米能级的电子，表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到表面外的真空中所需由金属内部逸出到表面外的真空中所需要的要的最小能量最小能量。E0(EF)mWm 功函数大小标致电子在金属中被束缚的强弱功函数大小标致电子在金属中被束缚的强弱2 2、半导体的功函数、半导体的功函数W Ws sE E0 0与费米能级之差称为半导体与费米能级之差称为半导体的功函数。的功函数。用用表示从表示从E Ec c到到E E0 0的能量间隔的能量间隔：称称为电子的为电子的亲和能亲和能，它表示要使半导体，它表示要使半导体导带导带底底的电
3、子逸出体外所需要的的电子逸出体外所需要的最小最小能量。能量。Ec(EF)sEvE0WsEn N型半导体：型半导体：式中：式中：P型半导体：型半导体：式中：式中：Note:Note:和金属不同的是，半导体的费米能级随杂和金属不同的是，半导体的费米能级随杂质浓度变化，所以，质浓度变化，所以，WsWs也和也和杂质浓度杂质浓度有关。有关。故常用亲和能表征半导体故常用亲和能表征半导体半导体半导体金属金属半导体半导体金属金属能带结构发生变化能带结构发生变化新的物理效应新的物理效应和应用和应用3 3、金属、金属/半导体接触半导体接触(理想接触）理想接触）三、金属与半导体的接触及接触电势差三、金属与半导体的接
4、触及接触电势差1.1.阻挡层接触阻挡层接触金金属属n半导半导体体设想有一块金属和一块设想有一块金属和一块n n型型半导体，并假定半导体，并假定金属的功函数大于半导体的功函数，即：金属的功函数大于半导体的功函数，即：即半导体的费米能即半导体的费米能E EFsFs高于金属的费米能高于金属的费米能E EFmFm金属的传导电子的浓度金属的传导电子的浓度很高很高，1010222210102323cmcm-3-3半导体载流子的浓度比半导体载流子的浓度比较低较低，1010101010101919cmcm-3-3金属半导体接触前后金属半导体接触前后能带图能带图的变化：的变化：接触后接触后，金属和半导体的费，金
5、属和半导体的费米能级应该在同一水平，半米能级应该在同一水平，半导体的导带电子导体的导带电子必然必然要流向要流向金属，而达到统一的费米能金属，而达到统一的费米能接触前接触前，半导体的费米能，半导体的费米能级高于金属（相对于真空级高于金属（相对于真空能级），所以半导体导带能级），所以半导体导带的电子有向金属流动的的电子有向金属流动的可可能能WmEFmWsE0EcEFsEv接触前接触前接触后接触后qVDEFEFEvEcxdE0在接触开始时，金属和半导体的间距大于原子的在接触开始时，金属和半导体的间距大于原子的间距，在两类材料的表面形成电势差间距，在两类材料的表面形成电势差VmsVms。接触电势差接触
6、电势差：紧密接触紧密接触后，电荷的流动使得在半导体表面相当后，电荷的流动使得在半导体表面相当厚的一层形成正的厚的一层形成正的空间电荷区空间电荷区。空间电荷区形成。空间电荷区形成电场，其电场在界面处造成电场，其电场在界面处造成能带弯曲能带弯曲，使得半导，使得半导体表面和内部存在体表面和内部存在电势差电势差，即，即表面势表面势VsVs。接触电。接触电势差分降在势差分降在空间电荷区空间电荷区和金属与半导体和金属与半导体表面之间表面之间。但当忽略接触间隙时，电势主要降在。但当忽略接触间隙时，电势主要降在空间电荷空间电荷区区。现在考虑忽略间隙中的电势差时的现在考虑忽略间隙中的电势差时的极限极限情形情形:
7、半导体一边的势垒高度为：半导体一边的势垒高度为：金属一边的势垒高度为：金属一边的势垒高度为：半导体体内电场为零，在空半导体体内电场为零，在空间电荷区电场方向间电荷区电场方向由内向外由内向外，半导体表面势半导体表面势Vs0EFEvqVDEcE电场电场在在势势垒垒区区，空空间间电电荷荷主主要要由由电电离离施施主主形形成成，电电子子浓浓度度比比体体内内小小得得多多，是是一一个个高高阻阻区区域域，称称为为阻阻挡挡层层。界面处的势垒通常称为。界面处的势垒通常称为肖特基势垒。肖特基势垒。EFEvqVDEcE电场电场所以：所以：金属与金属与N N型型半导体接触时半导体接触时，若，若WmWsWmWs，即半导体
8、，即半导体的费米能级高于金属，电的费米能级高于金属，电子向金属流动，稳定时系子向金属流动，稳定时系统费米能级统一，在半导统费米能级统一，在半导体表面层形成体表面层形成正的空间正的空间电荷区电荷区，能带向上弯曲，能带向上弯曲，形成电子的表面势垒。形成电子的表面势垒。2 2.反阻挡层接触反阻挡层接触设想有一块金属和一块设想有一块金属和一块n n型型半导体，并假定半导体，并假定金属的功函数小于半导体的功函数，即：金属的功函数小于半导体的功函数，即：即半导体的费米能即半导体的费米能E EFsFs低于金属的费米能低于金属的费米能E EFmFm 金属和半导体接触时，电子将从金属流向金属和半导体接触时，电子
9、将从金属流向半导体，在半导体表面形成负的空间电荷区，半导体，在半导体表面形成负的空间电荷区，电场方向由表面方向由表面指向体内指向体内，Vs0Vs0,能带向下能带向下弯曲弯曲。在表面的空间电荷区，电子浓度高于。在表面的空间电荷区，电子浓度高于体内，高电导区，称为体内，高电导区，称为反阻挡层反阻挡层。金金属属与与P P型型半半导导体体接接触触时时，若若W Wm mWWs s，即即金金属属的的费费米米能能级级比比半半导导体体的的费费米米能能级级高高，半半导导体体的的多多子子空空穴穴流流向向金金属属，使使得得金金属属表表面面带带正正电电，半半导导体体表表面面带带负负电电，半半导导体体表表面面能能带带向
10、向下下弯弯曲曲，形形成空穴的表面势垒。成空穴的表面势垒。金属金属p p型型半导体接触的阻挡层半导体接触的阻挡层在半导体的势垒区，在半导体的势垒区，空间电荷空间电荷主要由负的电离受主要由负的电离受主形成，其多子空穴浓度比体内小得多，也是一主形成，其多子空穴浓度比体内小得多，也是一个高阻区域，形成空穴个高阻区域，形成空穴阻挡层阻挡层。金属和金属和p p型型半导体半导体W Wm mW W Ws s，即即金金属属的的费费米米能能级级比比半半导导体体的的费费米米能能级级低低，半半导导体体的的电电子子流流向向金金属属，使使得得金金属属表表面面带带负负电电，半半导导体体表表面面带带正正电电，半半导导体体表表
11、面面能能带带向向上上弯弯曲曲。在在半半导导体体表表面面的的多多子子（空空穴穴）浓浓度度较较大大，高高电电导导区区，形成形成反阻挡层反阻挡层。3 3、金属半导体接触的、金属半导体接触的阻挡层阻挡层所谓所谓阻挡层阻挡层，在半导体的势垒区，形成的，在半导体的势垒区，形成的空间电空间电荷区，它荷区，它主要由主要由正正的电离施主杂质或的电离施主杂质或负负的电离受的电离受主形成，其多子电子或空穴浓度比体内小得多，主形成，其多子电子或空穴浓度比体内小得多，是一个高阻区域，在这个区域能带向上或向下弯是一个高阻区域，在这个区域能带向上或向下弯曲形成电子或空穴的曲形成电子或空穴的阻挡阻挡。金属与金属与N N型型半
12、导体，半导体，WmWsWmWs金属与金属与P P型型半导体半导体,WmWs,WmWs电子的阻挡层电子的阻挡层 整流接触整流接触W sWm电子的反阻挡层电子的反阻挡层 欧姆接触欧姆接触理想接触理想接触实际接触实际接触7.2 7.2 金金-半接触整流理论半接触整流理论1 1、阻挡层阻挡层的整流特性的整流特性 外加电压对阻挡层外加电压对阻挡层 （高阻层高阻层）的作用）的作用加上加上正向正向电压电压 (金属一边为正金属一边为正)时：时：由于阻挡层是个高电由于阻挡层是个高电阻区域，外加电压主阻区域，外加电压主要要降落在降落在阻挡层上阻挡层上。金属一侧的势垒高度金属一侧的势垒高度没有变化没有变化外加电压削
13、弱了内建电场的作用，半导体势垒降低；外加电压削弱了内建电场的作用，半导体势垒降低；电流为：电流为：进一步增加正向电压：进一步增加正向电压：qVD1=qVD-VqVxdEF势垒高度进一步减低，势垒宽度减薄，势垒高度进一步减低，势垒宽度减薄，多子导电多子导电变强变强。正向导电，电流很强。正向导电，电流很强。加上加上反向电压反向电压（金属一边为（金属一边为负负）时：）时：外加电压增强了内建电场的作用，势垒区外加电压增强了内建电场的作用，势垒区电势增强，势垒增高；电势增强，势垒增高；由于阻挡层是个高电由于阻挡层是个高电阻区域，外加电压主阻区域，外加电压主要要降落在降落在阻挡层上阻挡层上。金属一侧的势垒
14、高度金属一侧的势垒高度没有变化没有变化2 2、整流理论整流理论定量定量V-IV-I特性的表达式特性的表达式（1 1）扩散理论）扩散理论 Diffusion TheoryDiffusion Theory势垒宽度比载流子的平均自由程大得多，即势垒宽度比载流子的平均自由程大得多，即势垒区是耗尽区；势垒区是耗尽区；半导体是非简并的半导体是非简并的(2)(2)简化模型简化模型：势垒高度：势垒高度qVDk0T时时，势垒区势垒区内内的载流子浓度的载流子浓度0 0 耗尽耗尽区区EF0dXV0metalsemiconductorSpace charge regionN型半导体的耗尽层型半导体的耗尽层在势垒区边界
15、，电子的在势垒区边界，电子的浓度分别为：浓度分别为：电子电子从体内向界面从体内向界面处扩散；处扩散；在在内建电场的作用内建电场的作用下，电子下，电子做漂移做漂移运动运动；扩散方向与漂移方向扩散方向与漂移方向相反相反无外加电压：无外加电压：扩散与漂移相互抵消扩散与漂移相互抵消平衡；平衡；反向电压：反向电压：漂移增强漂移增强反偏；反偏；正向电压：正向电压：扩散增强扩散增强正偏正偏3、势垒宽度与外加电压的关系、势垒宽度与外加电压的关系势垒区的宽度：势垒区的宽度：1、无外加电压，即、无外加电压，即2、有外加电压，即、有外加电压，即V 0，d 正正正向电压正向电压使势垒区变窄使势垒区变窄V 势垒顶部时，
16、电子可以自由越过势垒进入势垒顶部时，电子可以自由越过势垒进入另一边另一边 。电流的计算即。电流的计算即求越过势垒的载流子数目。求越过势垒的载流子数目。热电子发射理论热电子发射理论当当n n型阻挡层型阻挡层很薄很薄时，即电子的平均自由程大于时，即电子的平均自由程大于势垒宽度。扩散理论不再适合了。势垒宽度。扩散理论不再适合了。电子通过势电子通过势垒区的碰撞可以忽略。垒区的碰撞可以忽略。1、热电子发射理论的适用范围、热电子发射理论的适用范围ln d适用于薄阻挡层适用于薄阻挡层势垒高度势垒高度 k0 T非简并半导体非简并半导体2、热电子发射理论的基本思想、热电子发射理论的基本思想薄阻挡层，势垒高度起主
17、要作用。薄阻挡层，势垒高度起主要作用。能够越过势垒的电子才对电流有贡献能够越过势垒的电子才对电流有贡献计算超越势垒的载流子数目，从而求出电计算超越势垒的载流子数目，从而求出电流密度流密度3、势垒区的伏安特性、势垒区的伏安特性半导体一侧，只有能量大于势垒的电子才半导体一侧，只有能量大于势垒的电子才能越过势垒：能越过势垒：根据麦克斯韦分布可求得根据麦克斯韦分布可求得中的电子数：中的电子数：规定电流的规定电流的正方向正方向是从金属到半导体是从金属到半导体电子流密度方向和电流方向相反电子流密度方向和电流方向相反 Jsm时（正向电流）时（正向电流）EFVx电子的电子的状态密度状态密度和和分布函数分布函数
18、能够运动到能够运动到-界面的界面的电子数为：电子数为：Jms时（反向电流）时（反向电流）nsns是是金属一边的电子势垒金属一边的电子势垒 总的电流密度总的电流密度J 讨论：讨论：扩散理论：扩散理论：两种理论都得出电流和外加电压近似成两种理论都得出电流和外加电压近似成指数指数关系关系热电子发射理论：热电子发射理论：Ge、Si、GaAs都有都有较高的载流子迁移率较高的载流子迁移率，即较，即较大的平均自由程，在室温时，其肖特基势垒中的大的平均自由程，在室温时，其肖特基势垒中的电流输运机构，主要是多数载流子的电流输运机构，主要是多数载流子的热电子发射热电子发射扩散理论热扩散理论热热电子发射理论热电子发
19、射理论厚阻挡层厚阻挡层电流源于半导体一电流源于半导体一侧电子的漂移或扩侧电子的漂移或扩散散薄阻挡层薄阻挡层电流源于越过势垒的电电流源于越过势垒的电子子7 7.3.3 少数载流子的注入和欧姆接触少数载流子的注入和欧姆接触1、少数载流子的、少数载流子的注入注入对对n型阻挡层型阻挡层，对少子，对少子空穴空穴就是积累层，在势垒区表面就是积累层，在势垒区表面空穴浓度最大，空穴浓度最大，由表面向内部扩散，平衡时由表面向内部扩散，平衡时被电场抵消。在被电场抵消。在正向电压正向电压时，时，产生和电子电流方向一致的。产生和电子电流方向一致的。故部分正向电流由少子贡献。故部分正向电流由少子贡献。EV首先首先决定于
20、阻挡层中空穴的浓度，在势垒很高的情况下决定于阻挡层中空穴的浓度，在势垒很高的情况下，接触表面的空穴浓度会很高。，接触表面的空穴浓度会很高。其次其次还要受扩散能力的影响。在加正向电压时，空穴流还要受扩散能力的影响。在加正向电压时，空穴流向半导体体内，向半导体体内，不能立即复合不能立即复合，要在阻挡层形成一定的，要在阻挡层形成一定的积累，然后靠积累，然后靠扩散扩散进入半导体体内。进入半导体体内。所以有所以有：注入比注入比r：即在加正向电压时，少子电流和总电流的比即在加正向电压时，少子电流和总电流的比在大电流时，注入比随电流密度的增加而增大。在大电流时，注入比随电流密度的增加而增大。少子空穴少子空穴
21、电流的大小：电流的大小：Page 2362 2、欧姆接触、欧姆接触定义定义：金金/半接触的半接触的非整流接触，非整流接触，即不产生明显的附即不产生明显的附加电阻，不会使半导体体内的平衡载流子浓度发生明加电阻，不会使半导体体内的平衡载流子浓度发生明显的改变。显的改变。应用：应用：半导体器件中利用电极进行电流的输入和输出半导体器件中利用电极进行电流的输入和输出就要求金属和半导体接触形成良好的欧姆接触。在超就要求金属和半导体接触形成良好的欧姆接触。在超高频和大功率的器件中，欧姆接触时设计和制造的关高频和大功率的器件中，欧姆接触时设计和制造的关键。键。实现：实现：不考虑表面态的影响，金半接触形成不考虑
22、表面态的影响，金半接触形成反阻挡层反阻挡层，就可以实现欧姆接触。实际中，由于有很高的表面态，就可以实现欧姆接触。实际中，由于有很高的表面态，主要用主要用隧道效应实现隧道效应实现半导体制造的欧姆接触。半导体制造的欧姆接触。半导体半导体重掺杂重掺杂导致明显的导致明显的隧穿电流隧穿电流，而实现，而实现欧姆接触：欧姆接触：半导体掺杂浓度很高时，金半接触的势垒区的宽度变半导体掺杂浓度很高时，金半接触的势垒区的宽度变得得很薄很薄，电子会通过隧道效应穿过势垒产生相当大的，电子会通过隧道效应穿过势垒产生相当大的隧穿电流，甚至会超过隧穿电流，甚至会超过热电子发射热电子发射电流成为电流的主电流成为电流的主要部分。
23、当隧穿电流占主要成份时，接触电阻会很小，要部分。当隧穿电流占主要成份时，接触电阻会很小，可以用作欧姆接触。可以用作欧姆接触。常用的方法常用的方法：在：在n型或型或p型半导体上制作一层重掺杂型半导体上制作一层重掺杂区再与金属接触，形成金属区再与金属接触，形成金属n+n 或金属或金属p+p 结构。结构。使得金属的选择很多。电子束和热使得金属的选择很多。电子束和热蒸发蒸发、溅射溅射、电镀电镀。1、功函数：功函数的定义是、功函数：功函数的定义是E0与与EF能量之差，能量之差，用用W表示。即表示。即半导体的功函数可以写成半导体的功函数可以写成本本 章章 小小 结结半导体的费米能级随掺杂的变化而变化，因半
24、导体的费米能级随掺杂的变化而变化，因此，半导体的功函数也会变化此，半导体的功函数也会变化2、接触电势差：、接触电势差：金属半导体接触，由于金属半导体接触，由于Wm和和Ws不同，会产生接不同，会产生接触电势差触电势差Vms。同时半导体能带发生弯曲，使其表。同时半导体能带发生弯曲，使其表面和内部存在电势差面和内部存在电势差V，即表面势，即表面势V，因而：，因而：紧密接触时：紧密接触时：典型金属半导体接触有两类：一类是整流接触，典型金属半导体接触有两类：一类是整流接触，形成阻挡层，即形成阻挡层，即肖特基接触肖特基接触；一类是非整流接；一类是非整流接触，形成反阻挡层，即触，形成反阻挡层，即欧姆接触欧姆
25、接触。N型型P型型WmWs阻挡层阻挡层反阻挡层反阻挡层Wm0时，若时，若qVkT，其电流，其电流电压特性为：电压特性为：其中：其中：当当VkT，则，则：Jsd随电压变化，并不饱和随电压变化，并不饱和（2）、热电子发射理论：）、热电子发射理论：电流电流-电压特性为电压特性为 JST与外加电压无关，但强烈依赖于温度与外加电压无关，但强烈依赖于温度 Ge，Si，GaAs具有较高的载流子迁移率，即有具有较高的载流子迁移率，即有较大的平均自由程，因而在室温下，这些半导较大的平均自由程，因而在室温下，这些半导体材料的肖特基势垒中的电流输运机构主要是体材料的肖特基势垒中的电流输运机构主要是热电子发射热电子发
26、射。4、镜像力和隧道效应的影响、镜像力和隧道效应的影响:镜像力和隧道效应对反向特性有显著影响，它镜像力和隧道效应对反向特性有显著影响，它们引起势垒高度的降低，使们引起势垒高度的降低，使反向电流反向电流增加。增加。5、少数载流子的注入、少数载流子的注入:在金属和在金属和n型半导体的整流接触上加正向电压时，型半导体的整流接触上加正向电压时，就有空穴从金属流向半导体，这种现象称为就有空穴从金属流向半导体，这种现象称为少数少数载流子的注入载流子的注入。少数载流子电流与总电流之比称。少数载流子电流与总电流之比称为少数载流子注入比，用为少数载流子注入比，用表示。表示。对对n型阻挡层型阻挡层 6、欧姆接触特
27、性和制作、欧姆接触特性和制作 欧姆接触可以通过金属半导体形成反阻挡层或隧欧姆接触可以通过金属半导体形成反阻挡层或隧道效应制造。实际生产中，主要利用隧道效应在道效应制造。实际生产中，主要利用隧道效应在半导体上制造欧姆接触。半导体上制造欧姆接触。VJ1、施主浓度、施主浓度ND=1017cm-3的的n型型Si，室温室温下下功函数功函数是多少是多少？若不考虑表面态的影响，它分别和？若不考虑表面态的影响，它分别和Al,Au,Mo接触时形接触时形成成阻挡层还是反阻挡层阻挡层还是反阻挡层？Si的电子的电子亲和能亲和能取取4.05eV.设设WAl=4.18eV,WAu=5.20eV,WMo=4.21eV.解：
28、室温下杂质全电离，则：解：室温下杂质全电离，则：解得解得 En=0.15eV故故 W=4.05+0.15=4.20eV已知已知WAl=4.18eV W,所以两者接触形成反阻挡层所以两者接触形成反阻挡层而而WAu和和WMo均大于均大于W，所以均形成，所以均形成阻挡层阻挡层习习 题题 选选 讲：讲：2、电阻率为、电阻率为10cm的的n型型Ge和金属接触形成的和金属接触形成的肖特基势垒高度为肖特基势垒高度为0.3eV,求加上求加上5V反向电压时的反向电压时的空间电荷层厚度。空间电荷层厚度。解：解：对于N型锗，当=10cm时，n=3900cm2/(Vs)=1/(nqn)ND=1.61014 cm-3rs=16 0=8.8510-14F/cm空间电荷层厚度空间电荷层厚度为为 7.66纳米纳米lPage 238:Page 238:3 3、4 4、6 6、7 7、8 8 本 章 习 题：（共五题）With no barrier between us,keep contact and exchange our experiences and knowledge!