chap_7金属和半导体的接触
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第七章 金属和半导体的接触
金属的功函数决定接触 类型及势垒高度
Wm WS
电子的阻挡层 ——整流接触
Wm WS
电子的反阻挡层 ——欧姆接触
接触情况对比
实际接触
由于存在表面态，接触时 总是形成势垒，且势垒高 度受金属功函数影响不大
7.2 M-S接触的整流理论
1、V 0
一、势垒高度随外加电压的变化
E JSM JM S
2、V 0
以金属和n型半导体的接触为例
1、WS Wm
二、理想的M-S接触势垒模型
电子系统在热平衡状态时应有统一的费米能级
电子转移
半导体体内载流子重新分布引 起载流子的积累或耗尽，导致 能带弯曲；但金属体内的载流 子和浓度基本没有变化
E 空间电荷区
二、理想的M-S接触势垒模型
半导体一侧的电子所面临的势垒：
qVD qVS Wm Ws
表面态的费米能级
q0
1 3
Eg
三、表面态对接触势垒的影响
金属和半导体接触前
态密度较大
态密度很大
电子转移
qVD Eg En q0
存在表面态，即使不与金属接触，半导体一侧产生电子势垒
三、表面态对接触势垒的影响
金属和半导体接触
Wm Ws 半导体向金属转移电子
①表面态密度很大，以表面电子转移为主
第七章 金属和半导体的接触
第七章 Part 1
7.1 M-S接触的势垒模型 7.2 M-S接触的整流理论 7.3 少数载流子的注入和欧姆接触
前言
金属——半导体接触 由金属和半导体互相接触而形成的结构，简称M-S接触。
典型接触：
1、半导体掺杂浓度低，单向导电Βιβλιοθήκη ——整流接触肖特基势垒器件
Wm WS
电子的阻挡层 ——整流接触
Wm WS
电子的反阻挡层 ——欧姆接触
接触情况对比
实际接触
由于存在表面态，接触时 总是形成势垒，且势垒高 度受金属功函数影响不大
7.2 M-S接触的整流理论
1、V 0
一、势垒高度随外加电压的变化
E JSM JM S
2、V 0
以金属和n型半导体的接触为例
1、WS Wm
二、理想的M-S接触势垒模型
电子系统在热平衡状态时应有统一的费米能级
电子转移
半导体体内载流子重新分布引 起载流子的积累或耗尽，导致 能带弯曲；但金属体内的载流 子和浓度基本没有变化
E 空间电荷区
二、理想的M-S接触势垒模型
半导体一侧的电子所面临的势垒：
qVD qVS Wm Ws
表面态的费米能级
q0
1 3
Eg
三、表面态对接触势垒的影响
金属和半导体接触前
态密度较大
态密度很大
电子转移
qVD Eg En q0
存在表面态，即使不与金属接触，半导体一侧产生电子势垒
三、表面态对接触势垒的影响
金属和半导体接触
Wm Ws 半导体向金属转移电子
①表面态密度很大，以表面电子转移为主
第七章 金属和半导体的接触
第七章 Part 1
7.1 M-S接触的势垒模型 7.2 M-S接触的整流理论 7.3 少数载流子的注入和欧姆接触
前言
金属——半导体接触 由金属和半导体互相接触而形成的结构，简称M-S接触。
典型接触：
1、半导体掺杂浓度低，单向导电Βιβλιοθήκη ——整流接触肖特基势垒器件
金属和半导体的接触
Jms JSm V 0
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
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
金属和半导体的接触
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。
金属和半导体的接触PPT演示课件
Wm
E Fm
金属
Ws
En
E0
EEFsc
Ev
n半导体
9
金属半导体接触前后能带图的变化：
Wm EFm
E0
Ws
Ec EFs
接触前
Ev
接触前，半导体的费米能 级高于金属（相对于真空 能级），所以半导体导带 的电子有向金属流动的可 能
E0
接触后
qm
EF
qVD Ec EF
xd
Ev
接触后，金属和半导体的费 米能级应该在同一水平，半 导体的导带电子必然要流向 金属，而达到统一的费1米0 能
在没有加电压的情况下，金半接触的系统处于平 衡态的阻挡层是没有净电流：
净电流J J J 0 s m m s
从金属流向半导体的电流和半导体流向金属的电 流相抵消。
所以，在没有外加电压时，半导体进入金属的电
子流和从金属进入半导体的电子流相等，方向相
反，构成动态平衡。
31
在紧密接触的金半之间加上电压时，电流的行为 会发生不同的响应。势垒高度为：
电场
E
qVD Ec EF
Ev
在势垒区，空间电荷主要由电离施主形成，电子 浓度比体内小得多，是一个高阻区域，称为阻挡 层。界面处的势垒通常称为肖特基势垒。 13
（2）金属－p型半导体接触的阻挡层
金属与P型半导体接触时，若Wm<Ws，即金属 的费米能级比半导体的费米能级高，半导体的 多子空穴流向金属，使得金属表面带正电，半 导体表面带负电，半导体表面能带向下弯曲， 形成空穴的表面势垒。
Why?
22
实验表明，金半接触时的势垒高度受金属功函数 的影响很小。这是由于半导体表面存在表面态造 成的。
金属和半导体的接触
子或离子。它是局域在表面附近旳新电子态。
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
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
半导体物理金属半导体接触
半导体物理金属半导体接触半导体物理中的金属半导体接触是一个重要的研究领域，它涉及到金属和半导体之间的界面现象和电子输运过程。
金属半导体接触在半导体器件中起着关键的作用，例如二极管、场效应晶体管和光电二极管等。
了解金属半导体接触的特性和行为对于理解和优化半导体器件的性能至关重要。
金属半导体接触的基本原理是金属和半导体之间的电子能级对齐。
在金属中，电子能级是连续的，而在半导体中，电子能级是分散的。
当金属与半导体接触时，金属的导带和半导体的导带会发生能级的重叠，形成能带弯曲。
这种能带弯曲会导致金属的电子向半导体中流动，形成电子注入。
同时，金属和半导体之间会形成能带弯曲敏感的空间电荷区，也称为肖特基垒。
肖特基垒的形成使得金属半导体接触具有整流作用。
金属半导体接触的性质受到多种因素的影响，包括金属和半导体材料的选择、接触面积和温度等。
金属半导体接触的电流输运机制可以通过肖特基势垒理论来解释。
根据肖特基势垒理论，金属半导体接触的电流主要由两个成分组成：扩散电流和漏电流。
扩散电流是由肖特基垒两侧载流子的扩散引起的，而漏电流是由肖特基垒两侧的载流子隧穿引起的。
通过调节金属半导体接触的参数，可以控制扩散电流和漏电流的大小，从而优化器件的性能。
金属半导体接触的界面特性也是研究的重点之一。
界面特性包括接触电阻、势垒高度和界面态等。
接触电阻是衡量金属半导体接触电流输运效率的重要参数，它取决于金属和半导体之间的接触面积和接触质量。
势垒高度是指肖特基垒的高度，它对电流输运和器件性能有重要影响。
界面态是指金属和半导体接触处的能级不连续性引起的局部能级，它对电子输运和界面反应有显著影响。
在半导体器件中，金属半导体接触的性能直接影响着器件的性能。
为了提高器件的性能，研究人员通过优化金属半导体接触的材料和结构，以及控制界面特性来改善器件的性能。
例如，通过引入衬底工程技术和金属工程技术，可以减小金属半导体接触的接触电阻和势垒高度，提高器件的性能。
半导体物理：金属和半导体的接触
WM<WS, 金属的费米能级高于 n型半导体的费米能级,金属 中的电子向半导体中移动,在 半导体表面形成电子累积的 负空间电荷区.
Wm<Ws
n型反阻挡层（理想欧姆接触）
半导体表面带负电,空间电荷区电场的方向由半导体表面指向 体内，表面电子的能量低于体内，能带向下弯曲，表面处电子 浓度远大于体内。所以此时的空间电荷区是一个很薄的高电导 层，称之为反阻挡层（表面电子积累），对半导体和金属的接 触电阻影响很小。
在空间电荷区内便存在一定的电场，造成能带弯曲，使半 导体表面和内部之间存在电势差Vs，即表面势。
这时接触电势差一部分降落在空间电荷区，另一部分降落 在金属和半导体表面之间。
Ws
Wm q
Vms
Vs
若D小到可以与原子间 距相比较，电子可自由 穿过间隙
接触电势差绝大部分降 落在空间电荷区。
电子亲合能X
定义:E0与Ec之差
E0 EC
半导体功函数
半导体功函数
Ws E0 (EF )s
电子亲合能,它表示要使半导
体导带底的电子逸出体外所 需要的
Ws [Ec (EF )s ] En
En Ec (EF )s
n
=
En q
半导体的功函数与杂质浓度的关系
的流动。
它们之间的电势差完全补偿了原来费米能级的不同
Vms
Vm
Vs Ws
Wm q
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。
由于半导体中电荷密度的限制，这些正电荷分布在半导体 表面相当厚的一层表面层内，即空间电荷区。
半导体中的电子将向金属流动，使金属表面带负电，半导体表
Wm<Ws
n型反阻挡层（理想欧姆接触）
半导体表面带负电,空间电荷区电场的方向由半导体表面指向 体内，表面电子的能量低于体内，能带向下弯曲，表面处电子 浓度远大于体内。所以此时的空间电荷区是一个很薄的高电导 层，称之为反阻挡层（表面电子积累），对半导体和金属的接 触电阻影响很小。
在空间电荷区内便存在一定的电场，造成能带弯曲，使半 导体表面和内部之间存在电势差Vs，即表面势。
这时接触电势差一部分降落在空间电荷区，另一部分降落 在金属和半导体表面之间。
Ws
Wm q
Vms
Vs
若D小到可以与原子间 距相比较，电子可自由 穿过间隙
接触电势差绝大部分降 落在空间电荷区。
电子亲合能X
定义:E0与Ec之差
E0 EC
半导体功函数
半导体功函数
Ws E0 (EF )s
电子亲合能,它表示要使半导
体导带底的电子逸出体外所 需要的
Ws [Ec (EF )s ] En
En Ec (EF )s
n
=
En q
半导体的功函数与杂质浓度的关系
的流动。
它们之间的电势差完全补偿了原来费米能级的不同
Vms
Vm
Vs Ws
Wm q
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。
由于半导体中电荷密度的限制，这些正电荷分布在半导体 表面相当厚的一层表面层内，即空间电荷区。
半导体中的电子将向金属流动，使金属表面带负电，半导体表
半导体物理西交课件-金属和半导体的接触
金半接触整流理论
所需vx方向最小速度为： 2q (VD − V ) vx 0 = * m n 所以从半导体到金属的电流密度为：
* n 3/ 2
(7-34)
* 2 2 mn ∞ ∞ ∞ (v x + vy + vz2 ) m J s →m = qn0 dvx ∫−∞ dvz ∫−∞ dv y ∫vx 0 vx exp − 2k0T 2π k0T (7-35) qφns qV * 2 = A T exp − exp k T k T 0 0 * 2 其中： 4 π qm * n k0 (7-36) A = 3
形式与扩散理论相同，不同的是 JsT 与外加电压无关， 却强烈依赖于温度
金半接触整流理论
n
镜像力和隧道效应的影响
q2 镜像势 = − 16πε 0 x 所以电子电势能：
qN D 2 2 − qφ ( x) = 镜像势 − qV ( x) = − ( x − 2 xxd + xd ) 2ε
镜像力影响：
(7-9)
金 属
N-半导体
肖特基势垒高度：
qφns
金半接触及其能带图
金属-n型接触 电子反阻挡层
Wm < Ws
金属-p型接触 空穴阻挡层
Wm > Ws
eφm
金属-p型接触 空穴反阻挡层
eχ
eφm
Ec Ec Ei EF Ev
EF
eφ ps
Wm < Ws
Ei EF Ev
金半接触及其能带图
n型和p型阻挡层形成条件
其中：
1 * 2 E − Ec = mn v 2 * dE = mn vdv
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Ws E0 (EF )s
2009-12-15
半导体物理学
7
§7.1 金属和半导体接触及其能带图
Ws E0 ( EF ) s
N型半导体：
Ws En
式中： E 0 E c E E c ( E F ) s
n
χ表示从Ec到E0的能量间隔：
一般叫“费米势”
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。
半导体物理学
22
§7.2 金属半导体接触整流理论
整流特性（对阻挡层而言） 金属与半导体接触可以形成阻挡层（肖特基势垒， 高阻区）与反阻挡层（高电导区），前者具有与p-n结 相似的整流特性，而后者具有欧姆特性。
2009-12-15
半导体物理学
23
§7.2 金属半导体接触整流理论
(EF)s (EF)m (EF)s (EF)m (EF)m (EF)s 外加电压对n型阻挡层的影响 (a)V=0；(b)V>0；(c) V<0 外加反向电压（金属接负极） 外加正向电压（金属接正极）
赣南师范学院
半导体物理学
Semiconductor Physics
主讲：武华
电子科学与技术教研室 物理与电子信息学院
第七章 金属和半导体的接触
所有半导体器件均可由以下几种基本器件结 构组成：
1、P-N结：是一种有P型和N型（掺杂实现）半导体（可为同质半 导体或异质半导体）接触形成的结。 （1）一个P-N结可做二极管； （2）两个P-N结（N-P-N或P-N-P结构）可做双极晶体管（三极管）； （3）三个P-N结（P-N-P-N结构）可做可控硅器件（一种开关器件）。 2、金属-半导体结构（金-半结）： （1）作整流接触：利用单向导电性，将交流电变直流电。 该结构又叫肖特基结；肖特基势垒二极管。 （2）作欧姆接触：用作集成电路中的接触互连材料。 3、金属-氧化物-半导体（MOS）结构：做金氧半场效应晶体管 2009-12-15 2 半导体物理学 （MOSFET）。
势垒区，形成正的空间电 荷区，空穴浓度远大于体 内，因此是高电导区（欧 姆接触特性）
2009-12-15
半导体物理学
18
§7.1 金属和半导体接触及其能带图
三、表面态对接触势垒的影响 金－半（n型）接触：金属一边形成的势垒高度：
qns = Wm -
: 对同一半导体，保持定值
Wm：随不同金属而变化
2009-12-15
半导体物理学
4
§7.1 金属和半导体接触及其能带图
一、金属和半导体的功函数 1、金属和半导体的能带图
2009-12-15
半导体物理学
5
§7.1 金属和半导体接触及其能带图
metal 2、金属的功函数Wm 表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属 内部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。
势垒区，形成负的空间电荷 区，半导体表面电子浓度远大 于体内，因此是高电导区（欧 姆接触特性）
2009-12-15
半导体物理学
16
§7.1 金属和半导体接触及其能带图
势垒区，空间电荷主要由 电离受主构成，空穴浓度 远小于体内，因此是高阻 区（整流特性）
2009-12-15
半导体物理学
17
§7.1 金属和半导体接触及其能带图
二、金属和半导体的接触及接触电势差
Wm 金 属 n型 半 导 体 Wm 四种接触类型 Wm 金 属 p型 半 导 体 2009-12-15 半导体物理学 Wm
Ws Ws Ws Ws
10
§7.1 金属和半导体接触及其能带图
Schottky扩散理论（阻挡层厚）
金属－半导体整流接触的伏安特性方程式：
qV J J sT exp 1 k T 0 qV J J sD exp k T 1 2009-12-15 0
J sT
2009-12-15 半导体物理学 20
§7.1 金属和半导体接触及其能带图
表面态呈电中性时的 n型半导体能带图
2009-12-15
存在施主表面态的 n型半导体能带图
半导体物理学
存在受主表面态的 n型半导体能带图
21
§7.2 金属半导体接触整流理论
重点： 阻挡层的整流特性和整流理论
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qns A T exp k T 0
* 2
1/ 2
热电子发射理论 饱和电流密度
与温度有关
扩散理论 饱和电流密度
与p-n结有别
2qN D VD V J sD r 0 半导体物理学
qVD exp k T 0
第七章 金属和半导体的接触
§7.1 金属和半导体接触及其能带图 §7.2 金属和半导体接触整流理论 §7.3 少数载流子的注入和欧姆接触 重点： 1、阻挡层与反阻挡层的形成 2、整流接触的特性 3、欧姆接触的特性
2009-12-15 半导体物理学 3
§7.1 金属和半导体接触及其能带图
重点： 功函数 电子亲和能 接触电势势垒 阻挡层与反阻挡层
在界面处晶格的断裂产生大量能量状态，称为界面态或表面 态，位于禁带内，表面态通常按能量连续分布。 表面态分为施主型和受主型。 表面处存在一个距离价带顶为qФ0的能级（中性能级）。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，类似施主作用；qФ0以上表面态 被电子填充，表面带负电，类似受主作用。 对于大多数半导体，中性能级 =qФ0 约为禁带宽度的三分之一。
势垒宽度比载ky扩散理论（阻挡层厚）
热电子发射理论：假设势垒区宽度较电子的平均自由程短， 故可略去电子在势垒区的碰撞，当电子的热运动有足够大的 动能超越势垒的顶点时，就可以自由地通过势垒区进入金属。 同样，金属中能超越势垒顶的电子也都能到达半导体内。 扩散理论：假设势垒区宽度较半导体内的电子的平均自由程长， 必须同时考虑电子在势垒区的漂移和扩散运动。
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§7.2 金属半导体接触整流理论
理论推导，金属－半导体整流接触的伏安特性与p-n结相似
空间电荷层厚度 碰撞几率 势垒宽度比载流子自由程小得多，载流子无碰撞、越过势垒 势垒高度起决定作用 Bethe热电子发射理论（阻挡层很薄）
势垒宽度比载流子自由程大得多，多次碰撞，势垒形状重要
(Wm>Ws)，(Vs)0<0（表面势：半导体表面和体内的电势差）
(a) 平衡时，净电流为零
认为外加电压全部降落在阻挡层（势垒区）
(b) 半导体势垒高度由qVD=－q(Vs)0降低为－q[(Vs)0+V]，形成正向电流，且 外加正向电压越大，势垒下降越多，正向电流越大。
增高为－q[(Vs)0+V] ，金属势垒高（恒定）， (c) 半导体势垒高度由qVD=－q(Vs)0半导体物理学 2009-12-15 24
阻挡层与反阻挡层 （1）金属-n型半导体接触
Wm>Ws Wm<Ws 电子阻挡层（高电阻层） 电子反阻挡层(高电导层)
（2）金属-p型半导体接触
Wm>Ws Wm<Ws
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空穴反阻挡层（高电导层） 空穴阻挡层（高电阻层）
半导体物理学 13
§7.1 金属和半导体接触及其能带图
2009-12-15
与V有关
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§7.2 金属半导体接触整流理论
载流子迁移率较高，较大的平均自由程（Ge、Si、GaAs）， 电流输运机构以多子热发射为主； 载流子迁移率较小，平均自由程较短（Cu2O），电流输 运机构以扩散为主。
金属半导体接触伏安特性 2009-12-15 半导体物理学
理想p-n结的J-V 曲线
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2009-12-15 半导体物理学 29
§7.3 少数载流子的注入和欧姆接触
1.少数载流子的注入（n型阻挡层）
平衡时接触界面处的载流子浓度：
qVD n(0) n0 exp k T 0 qVD p (0) p0 exp kT 0
正向电压（金属为正），势垒降低 正向电压，空穴积累 少数载流子的积累
§7.2 金属半导体接触整流理论
特点：
利用金属半导体整流接触制成的二极管
①肖特基势垒二极管（SBD）是多子器件，不发生电荷 存储现象，可应用于高频。 ②相同势垒高度下， SBD 的 JsD （或 JsT ）比 pn 结的 Js 大 得多，具有较低的正向导通电压（ 0.3V 左右），可 作为高速 TTL 电路的钳位晶体管（大大提高电路的 速度）。
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(a) p型阻挡层（Wm<Ws） (b) p型反阻挡层（Wm>Ws） 半导体物理学 金属和p型半导体接触能带图
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§7.2 金属半导体接触整流理论
理论推导，金属－半导体整流接触的伏安特性与p-n结相似
空间电荷层厚度 碰撞几率 势垒宽度比载流子自由程小得多，载流子无碰撞、越过势垒 势垒高度起决定作用 Bethe热电子发射理论（阻挡层很薄）
共同形成正向电流
电子、空穴扩散占优，如何运动的
W m E0 (E F )m
E0
功函数又叫逸出功
E0为真空中静止电子的能量，又称为真空静止电子能级。
金属的功函数随原子序数 的递增呈现周期性变化
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§7.1 金属和半导体接触及其能带图
3、半导体的功函数Ws
semiconductor
E0与费米能级之差称为半导体的功函数。
实验表明：不同金属与同一半导体接触，各种金属的 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。 原因：半导体表面的禁带中存在表面态（表面能级）。