1、2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平1第五章 金屬和半導體的接觸5.1金屬半導體接觸及其平衡態5.1.1 金屬和半導體的功函數5.1.2 有功函數差的金-半接觸5.1.3 表面態對接觸電勢差的影響5.1.4 歐姆接觸5.2 金屬半導體接觸的非平衡狀態5.2.1 不同偏置狀態下的肖特基勢壘5.2.2 正偏肖特基勢壘區中的費米能級5.2.3 厚勢壘區金屬半導體接觸的伏安特性5.2.4 薄勢壘區金屬半導體接觸的伏安特性5.2.5 金半接觸的少子注入問題5.2.6 非平衡態肖特基勢壘接觸的特點及其應用2021-10-132021-10-13西

2、安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平2金屬半導體接觸金半接觸的整流效應是半導體物理效應的早期發現之一，并且最早付諸應用：1874年，德國物理學家布勞恩發現金屬探針與PbS和FeS2晶體的接觸具有不對稱的伏安特性；1876年，英國物理學家亞當斯發現光照能使金屬探針與Se的點接觸產生電動勢；1883年，福里茨發現金屬探針與Se的點接觸的整流特性；2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平3金屬半導體接觸1904年，美國電氣工程師鮑斯獲得Si和PbS點接觸整流器的專利權1906年，美國電氣工程師皮卡德獲得點接觸晶體檢波器的專利權

3、，這種器件是晶體檢波接收機（即礦石收音機）的關鍵部件；1920年，硒（Se）金半接觸整流器投入應用；1926年，Cu2O點接觸整流二極管問世，并在二戰中應用于雷達檢波。2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平4第五章 金屬和半導體的接觸5.1金屬半導體接觸及其平衡態5.1.1 金屬和半導體的功函數5.1.2 有功函數差的金-半接觸5.1.3 表面態對接觸電勢差的影響5.1.4 歐姆接觸5.2 金屬半導體接觸的非平衡狀態5.2.1 不同偏置狀態下的肖特基勢壘5.2.2 正偏肖特基勢壘區中的費米能級5.2.3 厚勢壘區金屬半導體接觸的伏安特性

4、5.2.4 薄勢壘區金屬半導體接觸的伏安特性5.2.5 金半接觸的少子注入問題5.2.6 非平衡態肖特基勢壘接觸的特點及其應用2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平55.1.1 金屬和半導體的功函數1、金屬的功函數2、半導體的功函數 l功函數的定義: 真空能級E0與費米能級EF能量之差. W= E0 - EFE02021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平6金屬的功函數:真空能級E0與金屬費米能級 EFm能量之差Wm= E0 EFm1、金屬的功函數金屬中的電子雖然在金屬中自由運動，但要

5、使電子從金屬中逸出必須由外界給它以足夠的能量.因此,金屬向真空發射電子需要最低能量,這一最低能量定義為金屬的功函數.功函數的大小反映了電子在金屬中被束縛的強弱。金屬中的電子勢阱 2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平7幾種常見元素的功函數（eV）元素AlCuAuWAgMoPtAl功函數4.184.595.204.554.424.215.434.18幾種常見元素的功函數（eV）2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平82 半導體的功函數半導體的功函數類似定義為真空能級E0與半導體費米

6、能級EFs能量之差Ws= E0 EFs半導體的功函數WS是雜質濃度的函數，而不像金屬那樣基本為一常數。 半導體中的電子從半導體中逸出必須由外界給它以足夠的能量. 電子親合能X 定義:E0與Ec之差CEE 02021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平9半導體的功函數與雜質濃度的關系半導體電子親合能X(eV)功函數Ws(eV)n型ND (cm-3) p型NA(cm-3)101410151016101410151016Si4.054.374.314.254.874.934.99Ge4.134.434.374.314.514.574.63GaAs4

7、.074.294. 234.175.205.265.32半導體的功函數WS= E0 - EFSEFS WS 2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平10半導體的功函數與雜質濃度的關系幾種半導體的電子親和能及其在不同摻雜濃度下的功函數計算值 半導體電子親合能X(eV)功函數Ws(eV)n型 ND (cm-3) p型 NA(cm-3)101410151016101410151016Si4.054.374.314.254.874.934.99Ge4.134.434.374.314.514.574.63GaAs4.074.294. 234.175

8、.205.265.32半導體的功函數WS= E0 - EFSEFS WS 2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平115.1.2 有功函數差的金半接觸 1、金屬n型半導體接觸 1) WMWS 2) WMWS2、金屬p型半導體接觸 1) WMWS 2) WMWS 3、肖特基勢壘接觸2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平121、金屬與n型半導體的接觸 1) WMWS當金屬費米能級EFm與半導體費米能級EFs相同時二者達到平衡由于WMWS,表明n型半導體的費米能級EFs高于金屬的費米能級

9、EFm ,半導體中的電子向金屬中移動,金屬表面帶負電,半導體表面帶正電。2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平131、金屬與n型半導體的接觸 WMWS ,表明n型半導體的費米能級EFs高于金屬的費米能級EFm ,半導體中的電子向金屬中移動,金屬表面帶負電,半導體表面帶正電。當金屬與n型半導體接觸時，若WMWS，則在半導體表面形成一個由電離施主構成的正空間電荷區，其中電子濃度極低，是一個高阻區域，常稱為電子阻擋層。阻擋層內存在方向由體內指向表面的自建電場，它使半導體表面電子的能量高于體內，能帶向上彎曲，即形成電子的表面勢壘，因此該空間電荷

10、區又稱電子勢壘區。 2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平14接觸電勢差與阻擋層由于WMWS,表明n型半導體的費米能級EFs高于金屬的費米能級EFm ,半導體中的電子向金屬中移動,金屬表面帶負電,半導體表面帶正電。當金屬費米能級EFm與半導體費米能級EFs相同時二者達到平衡半導體表面形成空間電荷區，電場方向由體內指向表面，使表面電子的能量高于體內,能帶向上彎曲構成勢壘。由于空間電荷區主要由電離施主形成,是一個高阻區,故稱之為n型阻擋層型阻擋層。2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍

11、平152) WMWS的情況半導體表面帶負電,空間電荷區電場的方向由半導體表面指向體內，表面電子的能量低于體內，能帶向下彎曲，表面處電子濃度遠大于體內。所以此時的空間電荷區是一個很薄的高電導層，稱之為反阻擋層，對半導體和金屬的接觸電阻影響很小。WMWS, 金屬的費米能級高于n型半導體的費米能級,金屬中的電子向半導體中移動,在半導體表在半導體表面形成電子累積的負空面形成電子累積的負空間電荷區間電荷區.WmWsn型反阻擋層2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平162、金屬與p型半導體的接觸1）WMWS時，能帶向下彎曲成為空穴勢 壘，p型阻擋層

12、。 2）WMWS時，能帶向上彎曲，形成p型反 阻擋層；2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平17接觸電勢差qVms=Wm Ws表面勢Vs:半導體表面與體內電勢之差半導體側的勢壘高度qVD=WmWs金屬側的勢壘高度qns=qVD+En =Wmx肖特基勢壘接觸與阻擋層阻擋層形成的條件阻擋層形成的條件金屬與n型半導體接觸: WMWS金屬與p型半導體接觸: WMWS肖特基勢壘高度只與金屬的功函數和半導體的親和能有關,與半導體摻雜與否沒有關系。 2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平183

13、、肖特基(勢壘)接觸滿足條件WMWS的金屬與n型半導體的接觸和WMWs的金屬接觸時,半導體中表面態的電子向金屬中移動,如果表面態密度很高,則能夠提供足夠多的電子,而半導體勢壘區幾乎不發生變化.2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平26因此,如果用表面態密度高的n型半導體與金屬相接觸，即便WmWs,由于EFS高于EFm，同樣會有電子流向金屬，但這些電子并不是來自半導體體內，而是由表面態提供。由于表面態密度很高，能放出足夠多的電子，所以半導體勢壘區的狀態幾乎不會發生變化。平衡時，金屬的費米能級與半導體的費米能級達到同一水平，即也被釘扎在q0

14、附近。當半導體的表面態密度很高時，由于它可屏蔽金屬接觸的影響，以至于使得半導體近表面層的勢壘高度和金屬的功函數幾乎無關，而基本上僅由半導體的表面性質所決定 .b)表面態密度很高時-勢壘釘扎2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平27表面態對金半接觸的影響 小結表面態改變了半導體的功函數表面態使金-半接觸的勢壘高度不等于功函數差高表面態密度的半導體可以屏蔽金屬接觸的影響2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平28本節內容小結1、半導體的功函數2、阻擋層的形成3、表面態對金半接觸的影響1

15、、半導體的功函數FSSEEW0E0EFSWm2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平292、阻擋層的形成金屬n型半導體接觸 WMWS金屬p型半導體接觸 WMWS2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平303 表面態對金半接觸的影響表面態改變了半導體的功函數，使金-半接觸的勢壘高度不等于功函數差高表面態密度的半導體可以屏蔽金屬接觸的影響 如果用表面態密度很高的半導體與金屬相接觸，由于半導體表面釋放和接納電子的能力很強，整個金屬半導體系統費米能級的調整主要在金屬和半導體表面之間進行。這樣

16、，無論金屬和半導體之間功函數差別如何，由表面態產生的半導體表面勢壘區幾乎不會發生什么變化。平衡時，金屬的費米能級與半導體的費米能級被釘扎在EFS0附近。這就是說，當半導體的表面態密度很高時，由于它可屏蔽金屬接觸的影響，使得半導體近表面層的勢壘高度和金屬的功函數幾乎無關，而基本上僅由半導體的表面性質所決定。 2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平315.1.4 歐姆接觸 不產生明顯的附加阻抗，也不會像pn結那樣以注入和抽取的方式使半導體的載流子密度發生改變.任何兩種物體的接觸都會產生電阻，即接觸電阻. 歐姆接觸也不例外，但其阻值應為不隨電

17、壓變化的常數，且在理想情況下應該趨于零歐姆接觸的實現似乎可以選擇高電導的反阻擋層金屬材料。但高密度表面態的存在使Ge、Si、GaAs這些常用半導體無論與什么樣的金屬接觸都會形成阻擋層，很難形成反阻擋層 。工程中通常不采用根據功函數選擇金屬材料的辦法，而用對接觸面實行重摻雜的方法形成歐姆接觸，即通過重摻雜使半導體表面勢壘區變得非常窄，借助隧穿效應將勢壘接觸變為歐姆接觸 。 重摻雜pn結的空間電荷區可以薄到電子的隧穿長度之下。這樣的pn結因電子隧穿而失去空間電荷區對載流子的阻擋作用。對金半接觸而言，如果半導體是重摻雜，其阻擋層也會很薄。 制作歐姆接觸最常用的方法就是在半導體表面首先形成一個同型重摻

18、雜薄層，然后再淀積金屬，形成金屬-n+n或金屬-p+p結構。由于低阻接觸層的引入，金屬的選擇就比較自由。在半導體表面淀積金屬電極的方法很多，常用的有蒸發、濺射和電鍍等。 2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平32第五章 金屬和半導體的接觸5.1金屬半導體接觸及其平衡態5.1.1 金屬和半導體的功函數5.1.2 有功函數差的金-半接觸5.1.3 表面態對接觸電勢差的影響5.1.4 歐姆接觸5.2 金屬半導體接觸的非平衡狀態5.2.1 不同偏置狀態下的肖特基勢壘5.2.2 正偏肖特基勢壘區中的費米能級5.2.3 厚勢壘區金屬半導體接觸的伏安

19、特性5.2.4 薄勢壘區金屬半導體接觸的伏安特性5.2.5 金半接觸的少子注入問題5.2.6 非平衡態肖特基勢壘接觸的特點及其應用2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平335.2 金屬半導體接觸的非平衡狀態5.2.1 不同偏置狀態下的肖特基勢壘5.2.2 正偏肖特基勢壘區中的費米能級5.2.3 厚勢壘區金屬半導體接觸的伏安特性5.2.4 薄勢壘區金屬半導體接觸的伏安特性5.2.5 金半接觸的少子注入問題5.2.6 非平衡態肖特基勢壘接觸的特點及其應用2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程

20、系馬劍平345.2.1 不同偏置狀態下的肖特基勢壘一、勢壘高度二、勢壘區的寬度、電場和電容三、電流密度2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平35一、勢壘高度平衡態肖特基勢壘接觸的半導體表面與體內電位之差(表面勢)為VD 當有外加電壓U全部降落于其上時,二者之間的電位差即變為VDU,阻擋層電子勢壘的高度也相應地從qVD變為q(VD+U)。正偏置時U與平衡態表面勢VD符號相反,阻擋層勢壘高度為q(VDU)；反偏置時U與平衡態表面勢VD符號相同,阻擋層勢壘高度為q(VDU) 由于外加電壓在金屬一側沒有降落,偏置狀態下,電子在金屬一側的勢壘高度

21、qM不會隨電壓變化而變化，永遠保持其平衡態的高度不變。WMWS的金屬與n型半導體接觸處于不同偏置狀態的能帶示意圖 2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平36二、勢壘區的寬度、電場和電容金屬和n型半導體接觸形成肖特基勢壘接觸時，金屬表面荷負電且有遠高于半導體的電荷密度，半導體近表面區則存在等量的正空間電荷，其分布情況和具有同樣電場分布的p+n單邊突變結完全相同,勢壘區可近似為一個耗盡層。設均勻摻雜，耗盡層中電荷密度為qND 。+ + + + +xDx平衡態勢壘區的寬度XD,最大電場強度Em和勢壘比電容CTS分別為 DDDTSDDmDDDX

22、VqNCVqNqNVX00002 ,2 ,2偏置狀態下 DDDTSDDmDDDXUVqNCUVqNqNUVX0000)(2 ,)(2 ,)(2偏置狀態下半導體一側的空間電荷區寬度、最大電場強度、勢壘比電容都隨著外加電壓的變化而變化，與單邊突變結完全類似。 2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平37三、通過勢壘的電流密度正偏置時，從半導體進入金屬的載流子數會因勢壘高度的降低而顯著增加，但從金屬到半導體的同類載流子則因肖特基勢壘高度qM不變而沒有變化，因而形成較大的正向電流。外加正向電壓越高，勢壘降低越多，正向電流越大。反向偏置時，由于半導

23、體一側勢壘升高、金屬一側的勢壘高度仍然不變，從半導體進入金屬的載流子數顯著減小，從金屬流向半導體的同類載流子數占相對優勢，兩相抵消得到從金屬到半導體的凈電流，方向與正向電流方向相反。但是，金屬中的電子要越過相當高的勢壘qM才能進入半導體，因此反向電流密度極小。另一方面，由于金屬一側的勢壘不隨外加電壓變化，從金屬進入半導體的載流子數恒定不變，而從半導體進入金屬的載流子則隨反向電壓的升高而減少，當反向電壓升高到其值可忽略不計時，反向電流即趨于飽和。所以，不同偏置條件下的肖特基勢壘接觸與pn結類似，也具有單向導電性甚至反向電流的飽和性。因而這種接觸也是一種整流接觸。不過，肖特基勢壘肖特基勢壘接觸的正

24、、反向電流都是由多數載流子傳輸的接觸的正、反向電流都是由多數載流子傳輸的，在這點上與pn結有本質不同。 2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平385.2.2 正偏肖特基勢壘區中的費米能級 2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平392 熱電子發射理論當n型阻擋層很薄時，電子的平均自由程遠大于勢壘寬度，擴散理論顯然不再適用。此時，勢壘的高度成為電子能否通過的決定因素。熱電子發射理論認為，半導體內部的電子只要其能量超越勢壘的頂點就可以自由通過勢壘阻擋層進入金屬。同樣，金屬中能量超越勢壘

25、頂點的電子也可以到達半導體內。所以，電流的計算就歸結為計算能量超越勢壘頂點的電子數目。這就是熱電子發射理論的核心觀點。2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平40半導體中的電子數密度按速度的分布dEeEEhmdnTkEEcnF02132324dEeeEEhmdnTkEETkEEcncFc002132324221vmEEncTkEEcFceNn00dvTkvmvTkmndnnn02223002exp24vdvmdEn2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平41從半導體中進入金屬的電子數

26、目zyxzyxnndvdvdvTkvvvmTkmndn022223002exp2dvvTkvmTkmndnnn202230042exp2VVqvmsxn0221zyxxzyxnndvdvdvvTkvvvmTkmndN022223002exp22/1002nsxmVVqvxvxnxyynzznnmsdvTkvmvdvTkvmdvTkvmTkmqnJx002020223002exp2exp2exp2TkvmmTkqnJxnnms0202/1002exp22021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平42總的電流密度1expexp002TkqVTkq

27、TAJJJnssmmsTkqVTkqTATkqVqVTkEEThkqmJnssFcnms0020002220expexpexpexp4TkqTAJnssm02expTkvmmTkqnJxnnms0202/1002exp2TkEEnFcehTkmn032300222/1002nsxmVVqv2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平43從金屬中進入半導體的電子數目金屬中能量超越勢壘頂點的電子也可以到達半導體內，由于從金屬到半導體所面臨的勢壘高度不隨外加電壓變化，所以從金屬中進入半導體的電子數目是個常量，等于熱平衡條件(V=0)下從半導體中進入

28、金屬的電子數目，顯然二者大小相等方向相反:TkqTAJnssm02exp2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平44STM: Schematic of TechniqueConstant current contour Thermionic emitters are used as electron sources in devices such as TV, SEM, etcTipBias voltagee-DistanceSampleTunneling current e -2ksVDC2021-10-132021-10-13西安理工

29、大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平453 鏡像力和隧道效應的影響鏡像力:金屬外的電子必然會在金屬表面感應出等量的正電荷，而金屬內部的電子與感應電荷之間存在吸引力，這個正電荷稱為鏡像電荷，這個吸引力稱為鏡像力?？紤]到鏡像力必然會引起電勢能的變化，因此必須對接觸處的理想模型進行修正；隧道效應:根據隧道效應原理,即使電子的能量低于勢壘也有一定的概率穿過這個勢壘,隧穿概率與電子的能量和勢壘厚度有關。2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平465.2.2 正偏肖特基勢壘區中的費米能級 2021-10-132021-10-13西安理工大

30、學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平47隧道效應.swf2021-10-132021-10-13西安理工大學電子工程系馬劍平西安理工大學電子工程系馬劍平484 肖特基勢壘二極管就載流子的運動形式而言，p-n結正向導通時，由p區注入的空穴和由n區注入的電子都是少數載流子，它們先形成一定的積累，然后靠擴散運動形成電流。這種注入的非平衡載流子的積累稱為電荷存儲效應，嚴重影響p-n結的高頻性能。p-n結二極管是少子器件，具有電荷存儲效應。肖特基勢壘二極管的正向導通電流主要是由半導體中的多數載流子進入金屬形成，是多子器件。肖特基勢壘二極管具有比p-n結二極管更好的高頻特性。對于同樣的使用電流，肖特