第七章金屬和半導體的接觸ContactbetweenMetalandSemiconductor哈爾濱工業大學微電子科學與技術系重點：1、阻擋層與反阻擋層的形成2、肖特基勢壘的定量特性3、歐姆接觸的特性§7.1金屬-半導體接觸和能帶圖ContactbetweenMetalandSemiconductorandBandDiagram學習重點：功函數電子親和勢接觸電勢勢壘阻擋層與反阻擋層哈爾濱工業大學微電子科學與技術系MetalInsulatorSemiconductorSemicoductor(a)基于平面工藝的金屬-半導體接觸結構透視圖(b)金屬-半導體接觸結構一維結構圖Metal1、金屬和半導體的功函數金屬功函數Wm：起始能量等于費米能級的電子，由金屬內部逸出到真空中所需要的最小能量。

Wm=E0-(EF)m半導體功函數Ws

：真空能級與半導體費米能級之差。

Ws=E0–(EF)s電子親合能χ：半導體導帶底的電子逸出體外所需的最小能量。E0EcEvWsχEn(EF)sWm(EF)m2、接觸電勢差假設金屬和n型半導體相接觸，且Wm>WsE0EcEvWsχEn(EF)sWmEFm接觸勢壘：故接觸電勢差3、理想金屬–半導體接觸E0EcEvWsχEnEFsWmEFmqφns=Wm-χE0EcEvWsχEnEFsWmEFmqφns=Wm-χqVD=Wm-Ws金屬與半導體材料緊密接觸。熱平衡條件下，兩種材料具有統一的費米能級，同時真空能級具有連續性。金屬-半導體接觸能帶結構如圖所示。導帶底電子向金屬運動時必須越過的勢壘高度：

qVD=Wm–Ws

金屬一側的電子運動到半導體一側需要越過的勢壘高度：

qφns

=Wm-χ金屬-半導體接觸的重要參數：肖特基勢壘（1）理想金屬-半導體接觸能帶結構理想金屬-半體接觸由三個區域組成：

①金屬電子積累區

②半導體空間電荷區

③半導體中性區在耗盡層近似條件下：（2）理想金屬-半導體接觸靜電特性①②③空間電荷密度ρ(x)0xdx0xdx0xdx0xdx

qND

ND

ni2/ND

n(x)

p(x)

n0

p0

V(x)

E(x)

qVDρ(x)0xdx0xdx0xdx0xdx

qND

ND

ni2/ND

n(x)

p(x)

n0

p0

V(x)

E(x)

qVD①②③空間電荷區電場強度空間電荷區電勢分布空間電荷區寬度設半導體中性區電勢為零ρ(x)0xdx0xdx0xdx0xdx

qND

ND

ni2/ND

n(x)

p(x)

n0

p0

V(x)

E(x)

qVD①②③空間電荷區載流子分布（a）電子阻擋層：Wm>Ws（1）金屬-n型半導體接觸E0EcEvWsχEnEFsWmEFmEFs電子阻擋層界面EF電子阻擋層界面EF電子阻擋層界面EvEvqVDqφm金屬一側的勢壘qφm=Wm-χ半導體一側的勢壘qVD=Wm-Ws（b）電子反阻擋層：Wm<WsEFsE0EcEvWsχEnWmEFmEF電子反阻擋層界面EcEvqVD=Ws-WmXD（a）空穴阻擋層：Wm<Ws（2）金屬-p型半導體接觸E0EcEvWsχWmEFmEFs空穴能量半導體一側勢壘：qVD=Ws-Wm空穴阻擋層EcEvEFqVD=Ws-WmXD（b）空穴反阻擋層：Wm>WsE0EcEvWsχWmEFmEFs空穴反阻擋層EcEvEFXD4、阻擋層與反阻擋層（a）電子阻擋層：Wm>Ws（b）電子反阻擋層：Wm>Ws（1）金屬-n型半導體接觸（a）空穴反阻擋層：Wm>Ws（b）空穴阻擋層：Wm>Ws（2）金屬-p型半導體接觸5、表面態對接觸勢壘的影響由于晶格周期性在表面處中斷而出現的局（定）域在表面附近的電子態。表面態：

與表面態相應的能級稱為表面能級。表面能級：受主型表面態：施主型表面態：

表面能級接受電子后帶負電，稱為~。

表面能級釋放電子后帶正電，稱為~?！?.2金屬-半導體接觸整流理論RectificationTheoryofMetal-SemiconductorContact學習重點：阻擋層的整流特性和整流理論

歐姆接觸哈爾濱工業大學微電子科學與技術系1、阻擋層的整流特性——外加電壓對阻擋層的作用VI0EF電子阻擋層界面EvEvqVDqφmE0EcEvWsχEnWmEFmEFs凈電流J=Js→m

–Jm→s=0接觸前接觸后（V=0）外加正向偏壓（金屬一側接正極）外加反向偏壓（半導體一側接正極）N型MetalN型Metal2、整流理論（1）擴散理論：xd>>ln（2）熱電子發射理論：xd<<ln（1）擴散理論

xd>>ln時，電子通過勢壘區將發生多次碰撞。勢壘高度qVD>>k0T時，勢壘區內的載流子濃度近似等于零。耗盡層中的電荷密度：（1）

即（2）

代入泊松方程（3）

利用邊界條件：由（1）-（4）式及積分得到（4）（5）（6）（7）因為x=0時當外加偏壓V時,由此可見，xd

隨外加電壓的變化而變化Schottky勢壘這種勢壘寬度隨外加電壓的變化而變化的勢壘就是Schottky勢壘。所以勢壘區電流密度方程：在等式兩邊同乘因子，得（8）（9）外加偏壓一定，即穩態情況時J與x無關，對（9）式積分得：邊界條件如下：金屬-半導體接觸擴散理論電流電壓方程：其中討論（1）V>0時如果（2）V<0時如果VI0Mg2Si-nSi與Al-nSi肖特基二極管V-I特性（2）熱電子發射理論

xd<<ln時，電子通過勢壘區的碰撞可以忽略。當電子動能大于勢壘頂部時，電子可以自由越過勢壘進入另一邊——熱電子發射。假設qVD>>k0T。（a）Js→m

（b）Jm→s

（c）J=Js→m

-Jm→s（a）Js→m：單位體積中，能量在E~E+dE范圍內的電子數為：利用又則假設電流沿x方向流動，因此只有速度分量vx對電流有貢獻，同時vx需滿足以下條件：即電子的最小速度：于是，式中，（b）Jm→s：

金屬一側的勢壘qφns是恒定的，所以Jm→s是恒定的。V=0時，Js→m+Jm→s=0從而Jm→s=-Js→m

（V=0）

（c）總電流密度J其中擴散理論與熱電子理論的差異JSD隨外加電壓而變化；對溫度的敏感程度不如JST。JST與外加電壓無關；對溫度很敏感

。實際情況反向電流不飽和VI0VI0理想情況反向電流飽和（3）鏡象力和隧道效應的影響鏡象力的影響-x0+xx感應鏡

象電荷感應電荷對電子產生庫侖吸引力：產生的電子附加勢能為：（1）（2）（3）對于金-半接觸勢壘中的電子，附加勢能為：將勢能零點選在(EF)m，由于鏡象力的作用，電子所具有的電勢能為：（4）無鏡象力有鏡象力xmx0鏡象勢能將（3）式代入（4）式，則在xm處的電勢降落為：可見反向偏壓和摻雜較高時將導致勢壘最高點降落值

增大。半導體側有效勢壘高度金屬一邊有效勢壘高度隧道效應的影響隧道效應原理：能量低于勢壘頂的電子有一定幾率穿過這個勢壘，穿透的幾率與電子能量和勢厚度有關。①勢壘高度對隧道穿透幾率的影響金屬一邊的有效勢壘高度為：V>0時V<0時減小增大|V|↑|V|↓理想偏離理想②隧道厚度對隧道穿透幾率的影響隧道穿透的臨界厚度為：如果勢壘厚度小于xc，則勢壘對于電子是完全透明的，電子可以直接通過它。金屬一側的有效勢壘高度是-qV(xc)，若xc<<xd，則隧道效應引起的勢壘降低為：3、肖特基二極管與pn結二極管的比較肖特基二極管與pn結二極管正向特性比較肖特基二極管為多子器件，不存在pn結二極管中非平衡載流子的電荷存貯效應，具有較好的高頻特性。肖特基二極管的正向導能電壓低于pn結二極管?！?.3少數載流子的注入和歐姆接觸RectificationTheoryofMetal-SemiconductorContact學習重點：少數載流子的注入

歐姆接觸哈爾濱工業大學微電子科學與技術系1、少數載流子的注入金屬-n型半導體形成肖特基結，其正向電流包括：半導體導帶電子→金屬；