半导体第七章金属和半导体的接触资料.pptx

第七章金属和半导体的接触本章内容金属和半导体接触（4学时）金属半导体接触及其能级图；少数载流子的注入和欧姆接触。重点：金属和半导体之间接触的能带图，少数载流子的注入过程和形成欧姆接触的必要条件。7.1金属半导体接触及其能级图金属功函数7.1.1金属和半导体的功函数金属中的电子虽然能在金属中自由运动，但绝大多数所处的能级都低于体外能级。金属功函数随原子序数的递增呈现周期性变化关于功函数的几点说明:对金属而言,功函数Wm可看作是固定的.功函数Wm标志了电子在金属中被束缚的程度.对半导体而言,功函数与掺杂有关功函数与表面有关.功函数是一个统计物理量。半导体的功函数WsE0与费米能级之差称为半导体的功函数。Ec(EF)sEvE0χWsχ表示从Ec到E0的能量间隔：称χ为电子的亲和能，它表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需要的最小能量。EnEp故其中对半导体，电子亲和能χ是固定的，功函数与掺杂有关半导体功函数与杂质浓度的关系♦n型半导体:♦p型半导体:7.1.2接触电势差设想有一块金属和一块n型半导体，并假定金属的功函数大于半导体的功函数，即：接触前：Ec(EF)sEvE0χWsEnWm(EF)m金属和半导体间距离D远大于原子间距由于WmWs，即EFmEFN半导体中电子能量较大—易进入金属—金属带负电—半导体带正电（施主离子）—形成空间电荷区（类似P-N结）—能带将弯曲—形成势垒—接触电位差—到平衡—费米能级统一随着D的减小靠近半导体一侧的金属表面负电荷密度增加，同时靠近金属一侧的半导体表面的正电荷密度也随之增加。由于半导体中自由电荷密度的限制，正电荷分布在一层相当厚的表面层内，即空间电荷区。空间电荷区内存在一定电场，造成能带弯曲。半导体表面和内部之间存在电势差VS，称为表面势。若D小到可以与原子间距相比较忽略间隙中电势差的极限情况电子可自由穿过间隙，这时Vms很小，接触电势差大部分降落在空间电荷区。半导体一侧电子的势垒高度（接触势垒）金属一侧电子的势垒高度若WmWs，半导体表面形成正的空间电荷区，电场由体内指向表面，Vs0，形成表面势垒（阻挡层）。EnEcEv(EF)sqVDqΦnsWmχ能带向上弯曲，形成表面势垒。势垒区电子浓度比体内小得多→高阻区(阻挡层)。若WmWs，电子从金属流向半导体，半导体表面形成负的空间电荷区，电场由表面指向体内，Vs0。形成高电导区（反阻挡层）。能带向下弯曲。这里电子浓度比体内大得多，因而是一个高电导的区域，称之为反阻挡层。EnEcEv(EF)sqVDX-Wm金属与p型半导体接触时，若WmWs，形成空穴的表面势垒。在势垒区，空间电荷主要由电离受主形成，空穴浓度比体内小得多，也是一个高阻区域，形成P型阻挡层。金属与p型半导体接触时，若WmWs，能带向上弯曲，形成P型反阻挡层。n型p型WmWs阻挡层反阻挡层WmWs反阻挡层阻挡层上述金半接触模型即为Schottky模型：7.1.3表面态对接触电势的影响实验表明：不同金属的功函数虽然相差很大，但与半导体接触时形成的势垒高度却相差很小。半导体金属功函数m(V)n-GaAsAuAlPt4.84.255.360.950.800.94说明金属的功函数对势垒高度的影响并不显著。原因：半导体表面存在表面态。表面态分为施主型和受主型。表面态在半导体表面禁带中呈现一定分布，表面处存在一个距离价带顶为qФ0的能级。电子正好填满qФ0以下所有的表面态时，表面呈电中性。若qФ0以下表面态为空，表面带正电，呈现施主型；qФ0以上表面态被电子填充，表面带负电，呈现受主型。对于大多数半导体，qФ0约为禁带宽度的三分之一。巴丁（Bardeen）提出应该考虑到半导体表面存在密度相当大的表面态。如果认为在金属和半导体之间存在原子线度的间隙，表面态中的电荷可通过在间隙中产生的电势差对势垒高度起到钳制作用。若n型半导体存在表面态，费米能级高于qФ0，如果qФ0以上存在有受主型表面态，在EF与qФ0之间的能级将被电子填满，表面带负电。表面附近出现正的空间电荷区，形成电子势垒。势垒高度qVD恰好使表面态上的负电荷与势垒区的正电荷相等。若表面态密度很大，只要EF比qФ0高一点，表面态上就会积累很多负电荷。由于能带上弯，表面处EF很接近qФ0，势垒高度就等于原费米能级与qФ0之差，称为被高表面态密度钉扎。流向金属的电子由受主表面提供。由于表面态密度很高，半导体势垒区的情形基本不变。平衡后，半导体EF相对金属EF下降了（Wm-Ws)。空间电荷区的正电荷等于表面受主态留下的负电荷与金属表面负电荷之和。存在表面态即使不与金属接触，表面也形成势垒。当半导体的表面态密度很高时，可以屏蔽金属接触的影响，使半导体内的势垒高度和金属的功函数几乎无关，由半导体表面性质决定。由于表面态密度的不同，紧密接触时，接触电势差