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第七章-金属和半导体的接触.ppt

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第 七 章,,金 属 和 半 导 体 的 接 触 Metal-Semiconductor Contact,1、金属与半导体形成的肖持基接触和欧姆接触,阻挡层与反阻挡层的形成; 2、肖特基接触的电流—电压特性——扩散理论和热电子发射理论,即肖特基势垒的定量特性;(详细阐述) 3、欧姆接触的特性。,主要内容(三大点,约10课时):,2、MESFET( metal-semiconductor field-effect transistor) 具有与MOSFET相似的电流-电压 特性,但在器件的栅(gate)上电极部分利用金属 -半导体的整流接触取代了MOSFET的MOS结 构;用欧姆接触取代MOSFET的p-n结。,§7.1 金属-半导体接触和能级图,一、概述:,1、在微电子和光电子器件中,半导体材料和金属、半导体以及绝缘体的各种接触是普遍存在的,如MOS器件、肖特基二极管、气体传感器等。薄膜技术及纳米技术的发展,使得界面接触显得更加重要。,4、两个要点: ①功函数和禁带宽度的不同金属/半导体接触能带图的变化; ②肖特基接触的整流特性即电流-电压I-V特性。,二、金属和半导体的功函数Wm 、Ws,1、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。,E0为真空中静止电子的能量,又称为真空能级。,金属铯Cs的功函数最低1.93eV,Pt最高为5.36eV,2、半导体的功函数Ws,E0与费米能级之差称为半导体 的功函数。,用Χ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。,Note: 和金属不同的是,半导体的费米能级随杂质浓度变化,所以,Ws也和杂质浓度有关。,3、金属/半导体接触,三、金属与半导体的接触及接触电势差,1. 阻挡层接触,即半导体的费米能EFs 高于金属的费米能EFm,金属的传导电子的浓度 很高,1022~1023cm-3 半导体载流子的浓度比 较低,1010~1019cm-3,金属半导体接触前后能带图的变化:,在接触开始时,金属和半导体的间距大于原子的 间距,在两类材料的表面形成电势差Vms。,接触电势差:,紧密接触后,电荷的流动使得在半导体表面相当 厚的一层形成正的空间电荷区。空间电荷区形成 电场,其电场在界面处造成能带弯曲,使得半导 体表面和内部存在电势差,即表面势Vs。接触电 势差分降在空间电荷区和金属与半导体表面之间 。但当忽略接触间隙时,电势主要降在空间电荷 区。,现在考虑忽略间隙中的电势差时的极限情形:,半导体一边的势垒高度为:,金属一边的势垒高度为:,半导体体内电场为零,在空间电荷区电场方向由内向外,半导体表面势Vs<0,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。,金属与P型半导体接触时,若WmWs,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。,(2)金属-p型半导体接触的阻挡层,在半导体的势垒区,空间电荷主要由负的电离受 主形成,其多子空穴浓度比体内小得多,也是一 个高阻区域,形成空穴阻挡层。,金属和p型半导体WmWs 空穴阻挡层,对空穴讲,向下是能量增加,在P型半导体多子 是空穴,半导体多子流向金属后,留下带负电的 电离受主杂质,即空间电荷区,能带向下弯曲。,半导体一边的势垒高度是:qVD=Ws-Wm,(3)金属-半导体接触的阻挡层,所谓阻挡层,在半导体的势垒区,形成的空间电 荷区,它主要由正的电离施主杂质或负的电离受 主形成,其多子电子或空穴浓度比体内小得多, 是一个高阻区域,在这个区域能带向上或向下弯 曲形成电子或空穴的阻挡。,2. 反阻挡层接触,金属与N型半导体接触时,若Wm0,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,即电子反阻 挡层。,(1)金属与N型半导体接触,金属 /n型半导体接触前后电子反阻挡层形成能带图的变化:,在半导体表面,能带向下弯曲,相当有个电子的 势阱, 多子电子的浓度比体内大得多,是一个高通 区,即电子的反阻挡层-高导通区。(很薄!),(2)金属与P型半导体接触,金属与P型半导体接触时,若WmWs,空穴将从金属流向半导体表面,在半导体表面形成正的空间电荷区,电场方向由体内指向表面,Vs0,能带向上弯曲,这里空穴浓度比体内大得多,因而是一个高电导的区域,称之为反阻挡层,即空穴反阻挡层。,上述金半接触模型即为Schottky 模型:,Note:反阻挡层是很薄的高电导层,对半导体和 金属的接触电阻的影响是很小的,它在平常的实 验中观测不到。,理想晶体自由表面-达姆表面能级(1932年) 晶体表面缺陷或吸附原子-附加表面能级,四、表面态对接触势垒的影响,1、对于同一种半导体材料,亲和能χ将保持不 变,如用不同的金属相连形成接触,根据公式 :,金的功函数为4.8eV, 铝的功函数是4.25eV, 相差 0.55eV。但在Au、Al和n-GaAs接触时,势垒高 度相差0.15eV。 显然0.55eV> 0.15eV!,Why?,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。,通过实验分析,不同的金属功函数对半导体势垒高度影响不大,而半导体的表面态对接触势垒的作用很大,其影响在实际工作中不能忽视。,① 电子刚好填满EFS0 以下的所有表面态时,则 表面呈电中性,表面态局域电子的特性。 当EFS0 以下的表面态空着时,即没有被电子占据 时,表面呈正电,为施主型; ② EFS0上面表面态被电子占据时,半导体表面为 负电,是受主型。,一般表面态在表面禁带中有一定的分布,表面处存在距离价带顶为EFS=qΦ0(禁带宽度的三分之一)的能级,根据表面态相对于EFS的分布,对表面态的电学行为有两种情况:,设一个n型半导体的表面存在表面态。半导体的费米能级EF 高于表面能级Efs,如果Efs以上存在受主表面态,则会导致如下效应:(接触前后),半导体体内与表面电子态交换电子,在EF和Efs之 间的能级基本被电子填满,表面带负电,所以半 导体表面附近会出现正电荷,形成正的空间电荷 区,形成电子的势垒,即不和金属接触也形成电 子势垒。,如果表面态密度很大时,只要EF比EFs高一点,就 会在表面积累很多的负电荷,能带向上弯曲,使 得两者很接近。这时能带弯曲量 qVD=EF0-EFs0 , 出现所谓高表面密度钉扎。,1、金属半导体接触前:,不存在表面态时,Ws=χ+En, 存在表面态时,功函数要有相应的改变,加上qVD=EF0-EFs0的效应。,,2、金属与半导体接触后,接触后,表面态提供电子 流向金属,考虑到表面态 的作用,半导体空间电荷 区的正电荷等于表面受主 态留下的负电荷和金属表 面的负电荷的和。,所以,半导体表面态密度很高时,它可以屏蔽金属接触的影响,使得半导体内部的势垒高度和金属的功函数无关,基本上由半导体表面的性质决定,接触势差全部降落在两个表面之间,实际上,影响的程度由表面态密度不同而决定。,在表面态密度大于1013cm-2,则表面处的费米能 级位于禁带的1/3处(相对于价带顶),与表面态 的密度无关,这个位置称为巴丁极限。,下面讨论的内容,采用理想的模型,不考虑表 面态的影响,§.2 金-半接触整流理论,1、阻挡层的整流特性 —外加电压对阻挡层 (高阻层)的作用,,,金属与N型半导体接触时,若WmWs,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,称为电子阻挡层。,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。,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:,由于阻挡层是个高电阻区域,外加电压主要降落 在阻挡层上。同时,外加电压后,半导体和金属 不再处于相互平衡的状态,两者没有统一的费米 能级,两者的费米能级差就等于外加电压所引入 的静电势能差。,,①加上正向电压在n型阻挡层(金属一边为正)时:,对于n型阻挡层,即金属和n型半导体在Wm>Ws 时,表面势为负的值,当在金属上加正向电压即V大于0,使得电子的势垒高度减低,多子电子从半导体流向金属的数目变多。,电流为:,,,进一步增加正向电压:,势垒高度进一步减低,势垒宽度减薄,多子导电变强。,,,对于n型阻挡层,即金属和n型半导体在Wm> Ws时,表面势为负的值,当在金属上加正向电压即V大于0,使得电子的势垒高度减低,多子电子从半导体流向金属的数目变多,并随电压增加而变得越大,即从金属流向半导体的正向电流变大。,结论:,②加上反向电压(金属一边为负)时:,当加反向电压即V< 0时, 半导体一边的电子的势垒 高度增高了,所以半导体 到金属的电子数目减少, 相反金属到半导体的电子 流占优势,形成由半导体 到金属的反向电流。,在此过程中,金属边的势垒 不随外加电压变化(阻挡层在半导体内),,,电流为:,如进一步增加反向电压:,势垒高度进一步增高,多子电子导电变弱。,正向电流都是多子空穴从半导体流向金属,但和正向电流行为不一样的是:,金属一边的电子所要越过的势垒,不随外加电压而变化。所以,金属到半导体的电子流是恒定的。当反向电压提高时,半导体到金属的电子流可以忽略不计,反向电流达到饱和值。,对p型阻挡层:能带向下弯,表面势(Vs)0大于零V<0时,能带下弯得更厉害,多子空穴从半导体流向金属,形成正向电流; 金属加正电压V>0时,能带下弯曲变得小了,形成金属到半导体的反向电流。,正向和反向的电流特点就是阻挡层的 整流作用,,势垒区中存在电场,有电势的变化,导致载流子 浓度的不均匀。计算通过势垒的电流时,因为采 用厚阻挡层的扩散理论,故必须同时考虑漂移和 扩散运动。所以,势垒区的电势分布情况是求解 V-I关系的关键。,2、整流理论-定量V-I特性的表达式,对于n型阻挡层,当势垒宽度比电子的平均自由程 大得多,即Xd 》ln时,电子通过势垒区将发生多 次碰撞--厚阻挡层。扩散理论适用于厚阻挡层。,(1)扩散理论 Diffusion Theory,杂质全部电离,空间 电荷完全由电离杂质 的电荷形成。,Xd是耗尽层的宽度,ND是施主掺杂浓度, 均匀掺杂使得耗尽层的电荷也是均匀的。,,① 求电势在半导体中的分布:,当加上外加电压V在金属上:,由(6)式可得:,当表面势外加电压V和表面势同号都为负值时,势垒高度提高、宽度变大。这种依赖于外加电压的势垒称Schottky势垒。,xd,② 求通过势垒的电流密度:,J,,得到如下式:,在稳定的情况下,J是个和x无关的常数,利用上页的边界条件可得:,积分主要决定于x=0附近的电势值,去掉x2 项,把上式和xd的表达式代入(式-11),可得到 电流密度为:,>,其中,,金半接触伏安特性,氧化亚铜,迁移率较小,即平均自由程较短,扩散理论是适用的。,但JSD随电压而缓慢变化,但并不趋于定值,即没有饱和,,(2)热电子发射理论,以非简并半导体的n型阻挡层为例,假设qVD》k0T,通过势垒交换的电子很少,体内的电子浓度视为常数,与电流无关。,当n型阻挡层很薄时,即电子的平均自由程大于 势垒宽度。扩散理论不再适合了。电子通过势 垒区的碰撞可以忽略。,规定电流的正方向是从金属到半导体,电子流密度方向和电流方向相反,① Js→m时(正向电流),电子的状态密度和分布函数,考虑非简并半导体的情况,分布函数为 Boltzmann分布:,,,电子流密度,② Jm→s时(反向电流),Φns是金属一边的电子势垒,③ 总的电流密度J,④ 讨论:,扩散理论:,热电子发射理论:,Ge、Si、GaAs都有较高的载流子迁移率,即较 大的平均自由程,在室温时,其肖特基势垒中的 电流输运机构,主要是多数载流子的热电子发射,定义:金/半接触的非整流接触,即不产生明显的附加电阻,不会使半导体体内的平衡载流子浓度发生明显的改变。,应用:半导体器件中利用电极进行电流的输入和输出 就要求金属和半导体接触形成良好的欧姆接触。在超 高频和大功率的器件中,欧姆接触时设计和制造的关 键。,实现:不考虑表面态的影响,金半接触形成反阻挡层, 就可以实现欧姆接触。实际中,由于有很高的表面态, 主要用隧道效应实现半导体制造的欧姆接触。,§7.3欧姆接触,半导体重掺杂导致明显的隧穿电流,而实现 欧姆接触:,半导体掺杂浓度很高时,金半接触的势垒区的宽度变 得很薄,电子会通过隧道效应穿过势垒产生相当大的 隧穿电流,甚至会超过热电子发射电流成为电流的主 要部分。当隧穿电流占主要成份时,接触电阻会很小, 可以用作欧姆接触。,常用的方法:在n型或p型半导体上制作一层重掺杂 区再与金属接触,形成金属-n+n 或金属—p+p 结构。 使得金属的选择很多。电子束和热蒸发、溅射、电镀。,Xc,1、功函数:功函数的定义是E0与EF能量之差, 用W表示。即,半导体的功函数可以写成,本 章 小 结,2、接触电势差:,金属半导体接触,由于Wm和Ws不同,会产生接 触电势差Vms。同时半导体能带发生弯曲,使其表 面和内部存在电势差V,即表面势V,因而:,紧密接触时:,典型金属半导体接触有两类:一类是整流接触, 形成阻挡层,即肖特基接触;一类是非整流接 触,形成反阻挡层,即欧姆接触。,形成n型和p型阻挡层的条件,3、金属半导体接触整流特性:,在金属半导体接触中,金属一侧势垒高度不随外 加电压而变,半导体一侧势垒高度与外加电压相 关。因此,当外加电压使半导体一侧势垒高度降 低时,形成从半导体流向金属的净离子流密度, 且随外加电压而变化; 反之,则是从金属到半导体的离子流密度,该电 流较小。且与外加电压几乎无关。这就是金属半 导体接触整流特性。,扩散理论、热电子发射理论计算肖特基接触的 电流-电压特性,前者适用于势垒区宽度比电子 的平均自由程大很多的半导体材料;后者适用 于薄阻挡层,电子的平均自由程远大于势垒区 宽度。,两 种 理 论:,(1)、扩散理论:,当V0时,若qVkT,其电流—电压特性为:,其中:,当VkT,则 :,随电压变化,并不饱和,(2)、热电子发射理论:,电流-电压特性为,JST与外加电压无关,但强烈依赖于温度,Ge,Si,GaAs具有较高的载流子迁移率,即有 较大的平均自由程,因而在室温下,这些半导 体材料的肖特基势垒中的电流输运机构主要是 热电子发射。,,6、欧姆接触特性和制作,欧姆接触可以通过金属半导体形成反阻挡层或隧 道效应制造。实际生产中,主要利用隧道效应在 半导体上制造欧姆接触。,1、施主浓度ND=1017cm-3的n型Si,室温下功函数是多少?若不考虑表面态的影响,它分别和Al,Au,Mo接触时形成阻挡层还是反阻挡层?Si的电子亲和能取4.05eV.设 WAl=4.18eV, WAu=5.20eV, WMo=4.21eV.,解:室温下杂质全电离,则:,已知WAl=4.18eV W,所以两者接触形成反阻挡层,而WAu和WMo均大于W,所以均形成阻挡层,习 题 选 讲:,2、电阻率为10Ω·cm的n型Ge和金属接触形成的 肖特基势垒高度为0.3eV,求加上5V反向电压时的 空间电荷层厚度。,解:,对于N型锗,当ρ=10Ωcm时,,µn=3900cm2/(Vs),ρ=1/(nqµn),空间电荷层厚度 为 7.66纳米,
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