1、關于金屬和半導體的接觸第一張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月主要內容7.1 金屬和半導體接觸及其能級圖7.2 金屬和半導體接觸整流理論 7.3少數載流子的注入和歐姆接觸掌握阻擋層與反阻擋層的形成，肖特基勢壘的定量特性，歐姆接觸的特性。第二張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月 一、功函數1.金屬的功函數Wm金屬的功函數表示一個起始能量等于費米能級的電子，由金屬內部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。E0(EF)mWmE0為真空中電子的能量，又稱為真空能級。7.1 金屬和半導體接觸及其能級圖金屬中的電子在勢阱中運動第三張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月2.半導體的功函數Ws

2、E0與費米能級之差稱為半導體的功函數。表示從Ec到E0的能量間隔：稱為電子的親和能，它表示要使半導體導帶底的電子逸出體外所需要的最小能量。Ec(EF)sEvE0WsEn第四張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月式中：N型：半導體Ec(EF)sEvE0WsEn第五張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月P型半導體：第六張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月設想有一塊金屬和一塊N型半導體，并假定金屬的功函數大于半導體的功函數，即：二、金屬與半導體的接觸及接觸電勢差1. 阻擋層接觸第七張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月接觸前：E0 xWsEFsEcEnWmEFmEv第八張，PPT共

3、六十五頁，創作于2022年6月半導體中的電子金屬+Vms稱為金屬與半導體接觸電勢差。接觸后：（間隙大）E0 xWsEFsEcEnWmEFmEvVms半導體電勢提高，金屬電勢降低，直到二者費米能級相平第九張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月緊密接觸：EcEFEnqVdEvWsxq（Vs，Vm）空間電荷區 E表面形成空間電荷區,內部產生自建電場。表面勢Vs：空間電荷區兩端的電勢差。第十張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月忽略間隙中的電勢差時的極限情形半導體一邊的勢壘高度為：金屬一邊的勢壘高度為：EcEFEnqVdEv（VsWs，半導體表面形成表面勢壘。在勢壘區，空間電荷主要由電離施主形

4、成，電子濃度比體內小得多，是一個高阻區域，稱為阻擋層。界面處的勢壘通常稱為肖特基勢壘。EcEFEnqVdEvE第十二張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月2. 反阻擋層接觸（歐姆接觸）若Wm0，能帶向下彎曲。這里電子濃度比體內大得多，因而是一個高電導的區域，稱之為反阻擋層。EcEFWs-WmEvx-WmE第十三張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月金屬與P型半導體接觸時，若WmWs，能帶向上彎曲，形成P型反阻擋層。金屬與P型半導體接觸時，若WmWs阻擋層反阻擋層Wm1017eV-1.cm-2 ),它可屏蔽金屬接觸的影響，使得勢壘高度與金屬功函數幾乎無關，而由半導體表面性質決定。當表面態

5、密度不是很高時，金屬功函數對勢壘高度產生不同程度的影響。第二十張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月7.2 金屬和半導體接觸整流理論一.外加電壓對n型阻擋層（Vs0半導體側電子勢壘高度降低為-q（Vs）0+V)金屬側電子勢壘高度不變。電流方向M S，由S M的電子形成正向電流。第二十二張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月3.加反向電壓V0， 形成電子由半導體到金屬的正向電流； 電流方向：金屬半導體p型：金屬極加負電壓V0, 勢壘寬度 xd隨V增加而減小，半導體 側勢壘降低。V0時，界面處半導體側勢壘高度降低,電子濃度:當V0時，由半金的電子流密度:金屬一側勢壘高度不變，實際凈正向電流

6、密度為：其中：第三十八張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月令其中：第三十九張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月3.兩個理論模型的比較1、擴散理論的： J = J exp(qV kT ) 1 JSD不飽和， 與外加電壓相關。 熱電子發射理論：J = J exp( qV / kT ) 1 JsT與外加電壓無關，但強烈依賴于溫度。2、擴散理論適于勢壘區寬度遠大于電子的平均自由程的半導體,如氧化亞銅，非晶硅。熱電子發射理論適于勢壘區寬度遠小于電子的平均自由程的半導體，如Ge、Si、GaAs等。第四十張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月三.理論模型與實測結果的偏差（影響因素）1.鏡像力

7、的影響：在金屬、真空系統中，一個在金屬外面的電子，要在距離金屬表面同樣距離（在金屬內部）感應出等量的正電荷，這個正電荷稱為鏡像電荷，電子和鏡像電荷之間的吸引力稱為鏡像力。第四十一張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月鏡像力引起的勢壘降低，并隨反向電壓的增加而增大。從而使反向電流增加。鏡像力在反向電壓比較大的情況下（VVD），鏡像力效應才比較明顯，它主要對反向特性影響大。第四十二張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月2.隧道效應的影響能量低于勢壘頂的電子有一定幾率穿過這個勢壘，穿過的幾率取決于電子的能量和勢壘的厚度。隧道效應引起的勢壘降低隨反向電壓的增加而增大從而使反向電流增加。它主要對

8、反向特性影響比較大。超薄勢壘對載流子無阻擋能力，電子可以自由穿過勢壘。通過半導體表面重摻雜可以獲得超薄勢壘，形成隧道電流，從而制備可獲得歐姆接觸。第四十三張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月四.肖特基勢壘二極管利用肖特基效應由金半整流接觸制作的二極管稱為肖特基勢壘二極管。1.特點（與pn結二極管相比）： 1）它是多子器件，較好的高頻特性。 2）有較低的正向導通電壓（0.3V左右）。2.應用： 高速集成電路，微波器件等。第四十四張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月7.3少數載流子的注入和歐姆接觸1、少數載流子的注入n型阻擋層擴散運動漂移運動擴散運動漂移運動電子空穴第四十五張，PPT共

9、六十五頁，創作于2022年6月當正向電壓較小時，電場較小，漂移電流較小， J擴J漂多子擴散電流遠高于少子擴散電流，通常忽略少子擴散電流。正向電流為多子擴散電流。空穴電流密度：當正向電壓足夠高時，電場較大，電場引起很大的載流子漂移電流，使得少數載流子電流在電流中起主導作用。第四十六張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月對n型阻擋層，小注入時：少數載流子注入比：為了降低 必須采用有高的ND （相當于低電阻率材料）和小的ni（相當于寬禁帶材料）的金屬-半導體系統 。 第四十七張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月2、歐姆接觸1）歐姆接觸： 不產生明顯的附加阻抗，電流在其上的產生的壓降遠小于在

10、器件本身上所產生的壓降。2）歐姆接觸的重要性： 作為器件引線的電極接觸，要求在金屬和半導體之間形成良好的歐姆接觸。在超高頻和大功率器件中，歐姆接觸是設計和制造中的關鍵問題之一。 第四十八張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月3）歐姆接觸的制備方法（1）選擇適當金屬，使其和半導體形成反阻擋層。n型WmWs因半導體存在高密度表面態，實際很難做到形成反阻擋層。第四十九張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月（2）利用隧道效應半導體表面高摻雜。電子遂穿勢壘的幾率取決于：電子能量和勢壘寬度。勢壘寬度：當摻雜濃度很高時，勢壘很窄，形成很大的隧道電流：第五十張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月高

11、摻雜時,接觸電阻當ND 1019cm3時，接觸電阻強烈依賴于摻雜濃度；濃度越高，電阻越低。第五十一張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月低、中等摻雜時，對勢壘接觸，電流適于熱電子發射理論，接觸電阻：當N 1017cm3 接觸電阻與摻雜濃度無關。第五十二張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月形成歐姆接觸的方法 在半導體表面薄層形成高摻雜層， 通常做成M/n+/n 或M/p+/p結構獲得良好的歐姆接觸。金屬（或合金、金屬硅化物）可采用蒸發、濺射、電鍍等。半導體表面粗磨或噴砂，表面形成大量復合中心。使表面耗盡區的復合成為控制電流的主要機構，接觸電阻大大降低，近似稱為歐姆接觸。選擇低勢壘歐姆接

12、觸。第五十三張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月小 結需掌握的公式（由n型半導體推導）： 半導體側勢壘高度(Wm Ws): 金屬側勢壘高度肖特基模型巴丁模型第五十四張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月熱電子發射理論I/V特性其中JST與外加電壓無關，但強烈依賴于溫度。擴散理論I/V特性其中JSD不飽和， 與外加電壓相關第五十五張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月耗盡層寬度：勢壘區寬度隨摻雜濃度的增加而減小，隨反向電壓的增加而增大，正向電壓的增加而減小接觸電阻：高摻雜形成隧道效應常用來制備制備歐姆，其接觸電阻隨摻雜濃度增加而減小第五十六張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月

13、基本概念1.表面態 施主型電子占滿時呈中性，失去電子帶正電。 受主型能級空時為電中性，接受電子帶負電。2.表面態能級 : 電子剛好填滿其下的所有態時呈中性。 EF位于 以上，表面態為受主型， EF位于 以下，為施主型，3.擴散理論適用于勢壘區寬度遠大于電子的平均自由程的半導體。熱電子發射理論適用于勢壘區寬度遠小于電子的平均自由程的半導體，常用半導體Ge、Si、GaAs適用于熱電子發射理論。第五十七張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月基本理論金屬與n型半導體接觸 WmWs 表面電子濃度低阻擋層 WmWs 表面電子濃度高反阻擋金屬與P型半導體接觸 WmWs 表面空穴濃度高反阻擋層第五十八張，

14、PPT共六十五頁，創作于2022年6月阻擋層的整流理論1）阻擋層具有整流特性；2）正向電流為半導體多子形成的電流；3）n型: 金屬極加正電壓，V0， 形成電子半導體 金屬的正向電流； 電流方向：從金屬 半導體 p型：金屬極加負電壓V0， 形成空穴由半導體 金屬的正向電流； 正向電流方向：半導體 金屬 鏡象力和隧道效應均對反向特性的影響顯著， 勢壘降低使反向電流增大。第五十九張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月作業P194 3，4 ，7，8.第六十張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月課堂思考題金屬和半導體的功函數是如何定義的？半導體的功函數與哪些因素有關？分析n型和p型半導體形成阻擋

15、層于反阻擋層的條件。分別畫出半導體與金屬接觸時的能帶圖（分為WsWm和WsWm，并忽略表面態的影響）什么叫歐姆接觸？金屬與重摻雜的半導體能形成歐姆接觸，簡單其物理原理。什么叫少數載流子注入效應？鏡像力和隧道效應如何影響金-半接觸勢壘的？比較擴散理論和熱電子發射理論在解決肖特基二極管整流特性時區別在什么地方？畫圖說明肖特基勢壘高度，并指出在一般情況下，它與哪些物理量有關？第六十一張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月習題課例1設p型硅NA=1017/cm3，試求: (1)室溫下費米能級的位置和功函數 （2）不計表面態的影響，求該p型硅分別與鉑（Pt）和銀（Ag）接觸后是否形成阻擋層？（3）如

16、果能形成阻擋層，求半導體一邊的勢壘高度。 已知：WAg=4.81eV， WPt=5.36eV， Nv=1019/cm3 Eg=1.12eV,硅的電子親和能X=4.05eV例2有n型硅與某一金屬形成肖特基二極管，其參數為Wm=4.7eV， X=4.0eV, Nc=1019/cm3 , Nc=1019/cm3ND=1015/cm3 ,硅的相對介電常數r=12，忽略表明態，計算室溫下：（1）零偏時勢壘高度接觸電勢差和勢壘寬度。（2）正偏為0.2V時的熱發射電流。設A*/A=2.1， A=120A/cm3第六十二張，PPT共六十五頁，創作于2022年6月例3 NA=1017/cm3 的p型鍺，室溫下功函數為多少？，不考慮表面態的影響，它分別和Al、Au、Pt接觸時形成阻擋層還是反阻擋層？鍺的電子親和能為4.13eV。設WAl=4.18eV, WAu=5.20eV, WPt=5.43eV.例4 有n型硅與某一金屬形成肖特基二極管，已知其接觸后半導體一側的勢壘高度為0.50eV， ND=1015/cm3 ， Nc=2.81019/cm3 電子親和能為4.05eV，Lp=10m，D