金属和半导体的接触
金属和半导体的接触
A*T 2 exp( qns )
kT
有效理查逊常数
A*
4qmn*k 2
h3
热电子向真空发射的有效理查逊常数
A 120 A /(cm2 K 2 )
由上式得到总电流密度为：
J JSm Jms
A*T
2
exp(
qns
)exp(
qV
)
1
k T k T
JsT exp(qkVT ) 1
阻挡层具有整流作用
1. 厚阻挡层的扩散理论
厚阻挡层 对n型阻挡层，当势垒的宽度比电子的
平均自由程大得多时，电子通过势垒区要发 生多次碰撞。
须同时考虑漂移和扩散
00
xd
x
当势垒高度远大于 kT 时，势 qns 垒区可近似为一个耗尽层。
EF
qVs qVD
0
En=qn
V
耗尽层中，载流子极少，杂质全电 离，空间电荷完全由电离杂质的电荷形成。
表面受主态密度很高的n型半导体与金属接触能带图 (省略表面态能级）
金和半接触时, 当半导体的表面态密度很高时
电子从半导体流向金属 这些电子由受主表面态提供 平衡时，费米能级达同一水平
空间电荷区的正电荷
＝表面受主态上的负电荷
＋金属表面负电荷
Wm
(EF )s (EF )m
Wm-Ws
qVD
EC (EF)s
电子填满q0 以下所有表面态时，表面电中性 q0 以下的表面态空着时，表面带正电，
呈现施主型
q0 以上的表面态被电子填充时，表面带负电，
呈现受主型
Ws
qns
q0
qVD EC EF
EV
存在受主表面态时 n 型半导体的能带图
半导体物理第七章金属与半导体的接触
eV kT
⎞ ⎟⎠
J
V<0 当e|V|>>kT J = − J ST
V
-J0
反向饱和电流JsT与外加电压无关，强烈依赖温度
热场发射理论：
适用于平均自由程较长，迁移率较高材料，如硅锗等
半导体物理
25
三. 镜像力(image force)的影响
理论与实际的偏差
当半导体中的电子到达金属－半导体的界面附近时，该 电子将在金属表面感生正电荷。由于金属表面的电力线 必须垂直于表面，因此该电子在金属表面感生电荷的总 和必定等价于金属内部与该电子镜面对称处的一大小相 等的正电荷。
P
E0
E0
型
半
Wm
导
EC
Ws
Wm
EC
Ws Ef
体
Ef
EV
EV
反阻挡层
半导体物理
阻挡层
8
表面态对接触势垒的影响
理想肖特基势垒接触： qΦB = Wm − χ
金属与半导体接触是否形成接触势垒，取决于它们的功函 数大小。
同一种半导体与不同金属接触时，形成的势垒高度同金属 的功函数成正比。
实际金－半接触： 90％的金属和半导体接触形成势垒，与功函数关系不大。
2o Wm < Ws 时仍有肖特基势垒
半导体物理
肖特基势垒
Φ BN
=
EC
− EFs =
2 Eg 3
13
势垒区的电势分布
假设: (耗尽层近似) 空间电荷区载流子全耗尽；
d 2V dx 2
=
⎪⎧− ⎨ ⎪⎩
qN D
ε 0ε r
0
0≤ x≤d x>d
E( x) = − dV = qN D (x − d )
金属半导体接触
下图所示为 在小的正偏压下欧姆接触(非整流)M-S结的能带图和它的I-V特性
I
电子
EC EF
O
V
EV
金属在N+半导体上的接触的能带图和电流-电压特性
谢谢
N型半导体是重掺杂的,空间电荷宽度W变得如此之薄,以至于载流子可以隧道
穿透而不是越过势垒。由于在势垒每边的电子都可能隧道穿透到另一边,所以 实现了在正、反向偏压下基本上对称的I-V曲线。因此,势垒是非整流的,并有
一低电阻,在Nd>1019cm-3的N型Si上蒸发Al、Au或Pt都可以实现实际的欧姆接触。 这也是器件工艺中采用重掺杂衬底的原因之一。
cd是结电容, rs欧姆串联电阻, rd=dV/dI(二极管结电阻)
在结上的功率耗散相等,即
rs=
rd 1+ ωc2 Cd2rd2
ωc是截止频率, 因为rd>>rs,所以 有
ωc2=
1 Cd2rdrs
对于高频运用,cd、rd、rs都应 该很小。如果半导体具有高杂质浓
度和高迁移率。那么是能够实现小rs 的,通过采用GaAs材料,工作频率可
正向压降比PN结上低得多。右图所示为 Al-Si(N)肖特基势垒二极管和PN结二极管
的I-V曲线图。 开启电压:
肖特基势垒二极管的一般为0.3v; 硅PN结为0.6-0.7v.
≈1.0nA ≈1.0μA
I/mA
0.2
肖特基 结
0.6
PN结
V/v
低的接通电压使得肖特基二极管对于箝位和限幅的应用具有吸应力。然 而在反偏压下,肖特基二极管具有更高的非饱和反向电流。另外,在肖特基二 极管中通常存在额外的漏电流和软击穿,因而在器件制造中必须十分小心。非 理想的反向特性可以通过采用前面讨论到的保护环或金属搭接结构进行消除。
金属和半导体的接触
表面态能级
：
大多数半导体旳
在Ev以上Eg/3旳地方。
2.表面态旳类型
1）施主型：
电子占满时呈中性，失去电子带正电。
下列旳表面态空着，表面带正电。
2）受主型：
能级空时为电中性，接受电子带负电。
以上旳表面态被电子填充，表面带负电。
3.表面态对接触势垒旳影响
且
趋于饱和。
• 阻挡层具有单向导电性——整流特征。
P型半导体
n型和p型阻挡层旳作用
• 阻挡层具有整流特征；
• 正向电流要求为半导体多子形成旳电流；
• n型: 金属极加正电压，V>0，
形成电子由半导体到金属旳正向电流；
电流方向：金属→半导体
• p型：金属极加负电压V<0，
形成空穴由半导体到金属旳正向电流；
材料）和小旳ni（相当于宽禁带材料）旳金属-半导体
系统 。
2、欧姆接触
1）欧姆接触：
不产生明显旳附加阻抗，电流在其上旳产生旳压
降远不大于在器件本身上所产生旳压降。
2）欧姆接触旳主要性：
作为器件引线旳电极接触，要求在金属和半导体
之间形成良好旳欧姆接触。在超高频和大功率器
件中，欧姆接触是设计和制造中旳关键问题之一。
3）n型: 金属极加正电压，V>0，
形成电子半导体 金属旳正向电流；
电流方向：从金属 半导体
半导体势垒区与中性区存在浓度梯度，所以有扩散电流。
有外加电压时，存在漂移电流。
根据：
利用：
得到：
同乘以
得到：
积分：
利用边界条件：
因为
只考虑在x=0附近
半导体物理_第七章_金属和半导体接触
2、如何实现欧姆接触？
总结
总结
总结
总结
总结
需修正:①镜像力；②隧道效应
总结
习题
习题
习题
Ehvhc6.62103470301100891.61019 1.78eV Ehvhc6.621034 40301100891.61019 3.10eV
实质上是半导体价带顶部附近的电子流向金属，填充金 属中EF以下的空能级，而在价带顶附近产生空穴。
加正向电压时，少数载流子电流与总电流值比称为少数 载流子的注入比，用 表示。对n型阻挡层而言：
7.3.2 欧姆接触
1、什么是欧姆接触？
欧姆接触应满足以下三点： 1、伏安特性近似为线性，且是对称的； 2、接触引入的电阻很小（不产生明显的附加阻抗）； 3、不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著改变。
空间电荷区 电子从体内到表面，势能增加，表面能带向上弯曲
2、WS >Wm 电子系统在热平衡状态时应有统一的费米能级
电子反阻挡层；低阻 ——欧姆接触
考虑价带的电子转移，留下更多的空穴，形成空间 电荷区。空穴从体内到表面，势能降低，能带向上 弯曲。
7.1.3 表面态对接触势垒的影响
金属和半导体接触前
7.2.2 热电子发射理论
1.热电子发射理论的适用范围：
——适用于薄阻挡层 ——势垒高度 >>k0T ——非简并半导体
lபைடு நூலகம் >> d
2.热电子发射理论的基本思想：
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 ——计算超越势垒的载流子数目，从而求出电流密度。
半导体 第七章 金属和半导体的接触
两种理论结果表示的阻挡层电流与外加电压变 化关系基本一致，体现了电导非对称性
正向电压，电流随电压指数增加；负向电压， 电流基本不随外加电压而变化
JSD与外加电压有关；JST与外加电压无关，强 烈依赖温度T。当温度一定，JST随反向电压增 加处于饱和状态，称之为反向饱和电流。
③镜像力和隧道效应的影响
Vms
Vm
Vs
Ws
Wm q
Vm和Vs分别为金属和半导体的电势。
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。
P
exp{4
(
2mn*
)
1 2
d0
[qV
(
y
)]
1 2
dy}
h2
0
exp{4
(
mn* R 0
h2ND
)
1 2
[(Vs
)
0
]}
有外加电压时，势垒宽度为d，表面势为
[(Vs)0+V]，则隧道概率
P
exp{4
(
mn* R
h2ND
0
)
1
2 [(Vs
上述金半接触模型即为Schottky 模型：
n型
p型
Wm>Ws 阻挡层 反阻挡层
Wm<Ws 反阻挡层 阻挡层
7.1.3表面态对接触电势的影响
势垒高度qns Wm
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。
半导体物理第七章金属和半导体的接触
半导体的导电性能介于金属和绝缘体 之间。其内部存在一个或多个能隙， 使得电子在特定条件下才能跃迁到导 带。常见的半导体材料有硅、锗等。
接触的物理意义
01
金属和半导体的接触在电子器件 中具有重要应用，如接触电阻、 欧姆接触等。
02
理解金属和半导体的接触性质有 助于优化电子器件的性能，如减 小接触电阻、提高器件稳定性等 。
03
肖特基结模型适用于描述金属 和p型半导体之间的接触。
06
金属和半导体的接触实验 研究
实验设备和方法
实验设备
高真空镀膜系统、电子显微镜、 霍尔效应测量仪等。
实验方法
制备金属薄膜，将其与半导体材 料进行接触，观察接触表面的形 貌、电子输运特性等。
实验结果分析
接触表面的形貌分析
通过电子显微镜观察接触表面的微观结构， 了解金属与半导体之间的相互作用。
详细描述
当金属与半导体相接触时，由于金属和半导体的功函数不同，会产生电子的转移。这种电子的转移会 导致在接触区域形成一个势垒，阻碍电子的流动，从而产生接触电阻。接触电阻的大小与金属和半导 体的性质、接触面的清洁度、温度等因素有关。
热导率
总结词
热导率是指材料传导热量的能力，金属 和半导体的热导率差异较大，这会影响 它们之间的热交换效率。
详细描述
欧姆接触的形成需要满足一定的条件，包括金属与半导体之间要有良好的化学相容性和冶金相容性，以及半导体 内部载流子浓度要足够高。欧姆接触在集成电路和电子器件中具有广泛应用。
隧道结
总结词
隧道结是指金属和半导体之间形成的 具有隧道传输特性的结，当外加电压 达到一定阈值时，电流可以通过隧道 效应穿过势垒。
2
这个接触势垒会影响金属和半导体之间的电流传 输和热传导，进而影响电子器件的性能。
金属和半导体接触引言金属与半导体接触类型1整流接触
第七章 金属和半导体接触引言：金属与半导体接触类型：1、 整流接触：金属与轻掺杂半导体形成的接触表现为单向导电性，即具有整流特性，但电流通常由多子所荷载。
由于这种器件主要靠电子导电，消除了非平衡少子的 存储，因而频率特性优于p –n 结；又由于它是在半导体表面上形成的接触，便于散热，所以可以做成大功率的整流器；在集成电路中用作箝位二极管，可以提高集成电路的速度，通常称为肖特基势垒二极管，简称肖特基二极管。
2、 欧姆接触：这种接触正反向偏压均表现为低阻特性，没有整流作用，故也称为非整流接触。
任何半导体器件最后都要用金属与之接触并由导线引出，因此，获得良好的欧姆接触是十分必要的。
§7.1 金属半导体接触及其能带图本节内容：1、 金属和半导体的功函数2、 接触电势差3、 阻挡层与反阻挡层4、 表面态对接触势垒的影响课程重点：金属的功函数：在绝对零度的电子填满了费米能级F E 以下的所有能级，而高于F E 的能级则全部是空着的。
在一定温度下，只有F E 附近的少数电子受到热激发，由低于F E 的能级跃迁到高于F E 的能级上去，但是绝大部分电子仍不能脱离金属而逸出体外，这说明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。
要使电子从金属中逸出，必须由外界给它以足够的能量。
所以，金属内部的电子是在一个势阱中运动。
用0E 表示真空中静止电子的能量，金属功函数的定义是0E 与F E 能量之差，用m W 表示，即m F m E E W )(0-=它表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量。
功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱，m W 越大，电子越不容易离开金属。
半导体的功函数和金属类似：即把真空电子静止能量0E 与半导体费米能级S F E )(之差定义为半导体的函数，即s F s E E W )(0-=。
因为半导体的费米能级随杂质浓度变化，所以半导体的功函数也与杂质浓度有关。
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金属和半导体的接触
1金属和半导体接触及其能带图
金属和半导体的功函数
金属
1.金属中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。
要使电子
从金属中逸出，必须有外加能量。
所以金属内部的电子是在一个势阱中运动。
2.金属功函数的定义是真空中静止电子的能量E₀与费米能级Ef能量之差。
表示一个起始能量
等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量。
3.功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱。
W越大，电子越难离开金属。
半导体
接触电势差
金属与（n型）半导体的接触
接触前
qФ为金属一边的势垒高度，qVd为半导体一边的势垒高度。
总结
当金属与n型半导体接触的时候，若Wm>Ws，能带向上弯曲，即可形成表面势垒，在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度比体内小得多，因此它是高阻域，常称为阻挡层；若是Ws>Wm，能带向下弯曲，此时电子浓度比体内高得多，因而是高电导区域，称为反阻挡层，它是很薄的，对金属和半导体接触电阻的影响很小。
p型半导体和金属接触时与n型半导体的相反。
空间电荷区电荷的积累
表面势的形成
造成能带的弯曲
表面态对接触势垒的影响
不同金属与同一半导体材料接触所形成的金属一侧的势垒高度相差不大，金属功函数对势垒高度没有多大影响。
表面能级
1.表面处存在一个距离价带顶为qФ₀的能级，若电子正好填满qФ₀以下的所有表面态时，表
面呈电中性；若qФ₀以下的表面态空着时，表面带正电，呈现施主型；若qФ₀以上的表面态被电子填空时，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。
2.假设一个n型半导体存在表面态。
半导体费米能级Ef将高于qФ₀，如果qФ₀以上存在有受
主表面态，则在qФ₀到Ef间的能级将基本被电子填满，表面带负电。
如此，半导体表面附
近必定出现正电荷，成为正的空间电荷区，结果形成了电子的势垒，势垒高度qVD恰好使
得表面态上的负电荷与势垒区的正电荷数量相等，这里着重表明了势垒高度产生的第二层
原因。
（第一层是金属与半导体接触）
3.当半导体的表面态密度很高的时候，Ws几乎与施主浓度无关。
此时此刻，当D远大于原
子间距时，金属与半导体利用一根导线进行接触，同样有电子流向金属，但此时电子不是
来自于半导体体内，而是来自于受主表面态，若表面态密度很高，能放出足够多的电子，
则半导体势垒区的情形几乎不会发生变化。
间隙D中的压降（Ws-Wm）/q，这时空间电荷
区的正电荷等于表面受主态上留下的负电荷与金属表面负电荷之和。
当间隙D小到可以与
原子间距相比时，电子就可以自由地穿过它。
施主型
若能级被电子占据时呈电中性，释放电子后呈正电性，称为施主型表面态
受主型
能级空着的时候呈电中性，接受电子后呈负电性；
总结
当半导体表面态密度很高的时候，由于它可以屏蔽金属接触的影响，使半导体内的势垒高度
和金属功函数几乎无关，而基本上由半导体的表面性质所决定。
2金属半导体接触整流理论
定性分析
以n型半导体为例，表面势Vs < 0；半导体一侧的势垒高度即为qVD = - qVs。
若此时，我们外加电压V于紧密接触的金属和半导体之间，由于阻挡层是高阻区域，因此电压主要降落在阻挡层上，势垒高度变为-q（Vs+V）
V>0
若V > 0，则会导致（Vs + V）降低，便会导致半导体一侧势垒高度降低，这时，从半导体流到金属的电子便会增加，多于从金属流到半导体的电子，便会形成从金属流向半导体的正向
电流。
外加电压越大，势垒下降越多，正向电流也就越大。
V<0
若V<0，则（Vs + V）增加，便会导致半导体一侧势垒高度升高，从半导体流到金属的电子
会减少，少于从金属流到半导体的电子，会形成从半导体流向金属的反向电流，又因为金属
的势垒高度基本不会受V的影响，由于金属一侧的电子要越过相当高的势垒才能到达半导体
中，所以反向电流是很小的值。
随着电压的增大，势垒高度越来越高，从半导体流向金属的
电子可以忽略不计，反向电流渐渐趋于饱和值。
1.这种厚度依赖于外加电压的势垒称为肖特基势垒。
2.若外加正向电压，V > 0 ，如此Vs + V便会降低，从而导致势垒宽度
压的增大，势垒宽度会越来越小；反之，则势垒宽度会越来越大。
势垒的电流密度
热电子发射理论
n型阻挡层很薄，适用于电子平均自由程远大于势垒宽度的情况.
在这种情况下，电子在势垒区的碰撞可以忽略，在这个时候，势垒的形状并不重要，起到决定作A*称为有效理查逊常数。
电子从金属到半导体所面临的势垒高度不随外加电压变化。
所以，从金属到半导体的电子流
与扩散理论所得到的结果的区别在于JsT与外加电压无关，但却是一个更强烈地依赖于温度的函数。
镜像力和隧道效应的影响
即对理论的修正。
镜像力的影响
在金属—真空系统中，一个在金属外的电子，要在金属表面感应出正电荷，同时电子要收到正电荷的吸引。
若电子距金属表面的距离为x，则它与感应正电荷之间的吸引力，相当于该电子与位于(-x)处的等量正电荷之间的吸引力，这个正电荷被称为镜像电荷，这个吸引力被称为
1.根据隧道效应原理，能量低于势垒顶的电子有一定几率可以穿过这个势垒，穿透的概率与
镜像力和隧道效应对反向特性的影响特别显著，它们引起势垒高度的降低，使反向电流增加，而且随反向电压的提高，势垒降低更显著，反向电流也增加得更多。