金属和半导体的接触优秀课件

在金属和半导体的接触区域，由于能带结构的不同，电子的传输会受到限制或允 许，这决定了接触的导电特性。
电子传输机制
在金属和半导体的接触中，电子的传输机制主要有隧道效应和热电子发射两种。
隧道效应是指电子通过金属-半导体接触势垒的能力，即使在没有明显的能量间隙的 情况下，电子也可能通过量子力学隧道效应穿越势垒。
溶胶凝胶法具有操作简单、成本低廉等优点，适用于制备大面积、均匀的金属半导体接触。
04
金属半导体接触的应用
电子器件
晶体管
金属半导体接触在晶体管中起着 关键作用，通过控制金属与半导 体的接触状态，可以实现电流的 放大或开关功能。
集成电路
集成电路中包含大量的晶体管和 其他电子元件，金属半导体接触 在这些元件中扮演着重要的角色 ，影响着整个集成电路的性能。
新特性
在新材料的推动下，金属半导体接触呈现出 新的特性，如高导电性、高热稳定性、高稳 定性等。这些新特性使得金属半导体接触在 电子、光电子、热电子等领域的应用更加广 泛和深入。
新技术与新方法
新技术
随着科研技术的不断创新，金属半导体接触 领域也涌现出许多新的技术和方法。例如， 利用先进的纳米制造技术，可以实现金属和 半导体的原子级精确控制和优化，进一步提 高金属半导体接触的性能。
02
特性：金属半导体的电子结构、 界面能带结构、电荷转移和空间 电荷区等特性。
金属半导体接触的重要性
在电子器件和集成电路中，金属半导 体接触是实现电子传输和收集的关键 部分，对器件性能具有重要影响。
在太阳能电池、传感器和光电器件等 领域，金属半导体接触对于能量转换 和信号处理具有重要意义。
金属半导体接触的分类
来新的发展机遇和挑战。
挑战

=qVD En
假设Wm>Ws，半导体外表形成正的空间电荷区， 电场由体内指向外表，Vs<0，形成外表势垒〔阻 挡层〕。
χ
Wm qΦns
qVD
Ec
En
(EF)s
Ev
能带向上弯曲，形成外表势垒。势垒区电子浓度 比体内小得多→高阻区(阻挡层)。
• 假设Wm<Ws，电子从金属流向半导体，半导体外 表形成负的空间电荷区，电场由外表指向体内， Vs>0。形成高电导区〔反阻挡层〕。
Wm E0 (EF )m E0为真空中静止电子的能量。
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 功函数与外表有关. 功函数是一个统计物理量。
半导体的功函数Ws
在一个距离价带顶为qФ0的能级。 • 电子正好填满qФ0以下所有的外表态时，外表呈电
中性。假设qФ0以下外表态为空，外表带正电，呈 现施主型； • qФ0以上外表态被电子填充，外表带负电，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。
• 假设n型半导体存在外表态，费米能级高于qФ0，如果qФ0以上存 在有受主型外表态，在EF与qФ0之间的能级将被电子填满，外表 带负电。外表附近出现正的空间电荷区，形成电子势垒。势垒 高度qVD恰好使外表态上的负电荷与势垒区的正电荷相等。
m(V)
0.95 0.80 0.94
说明金属的功函数对势垒高度的影响并不显著。
原因：半导体外Leabharlann 存在外表态。巴丁〔Bardeen〕提出应该考虑到半导体外表存在密度相当大的 外表态。如果认为在金属和半导体之间存在原子线度的间隙，外 表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。

0 VD sat
VD
ID ID sat
第19页/共30页
VG 0 VG 1V
(d ) VG 1且小的VD
的 这 的
V qN2 a V V 定
值初V是D当时始因而加V，电为言GVVVGGG入VV耗流沟G，G反100尽比道V沟P100WV向P区V的W道DG栅将s=截就at极0接面a像时Pa偏触PV积是VDV的DVIV压D到DVDVDD减VD电D初VD时半VD0DV小0D阻V始s0Dsa，s0D绝tasta的s2器t电at耗缘IDII关一流IDDs尽DII衬assDDt000saa系般a来ttsstb区000aa底ttiIII。得，DDD宽IIIVV．DDDDDVV如小但ssDD度此aaVttssGVaa图G。是VttWG时VG夹饱G(当具夹饱随断和Vd01断V和0V)D1有之V所值DVVV较DD增增VV示D为VDD((D高d(加c加b(，())(d(c)aVVb))V的至)。)(GGVVVGVVV(GGDGGV阻G某对0D=0且10且V且值0一较0且1-且为且DV且为小1s为D特，小a小夹为小夹tVs的)a夹断的夹t的断)V断后V断DV时D后D时
电流也维持不变，V这D 是VD因sat 为在沟道中，由源极(b) 到VG P0点且为夹断时
的 基
电 本
上压V维降G 持维0 在持I不Ds变at，。且当与漏V极DID无电s0at 关压IDV。大D sat
于
V
Ds
aVtD时
，
电
流
P
VD VD sat
饱和
(c) VG 0且为夹断后 (VD VDsat )
栅极
漏极
物半导体制成的(如砷化镓)，
因为它们具有较高的电子迁移
n型
率，可以减小串联电阻并且具

Vms
（7-6）
接触电势差全部降落在金属与半导体 的间隙上
图7-4(c) 紧密接触
Ws
Wm q
Vms
VS
（7-7）
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的间隙上。
2、接触电势差
图7-4(d) 忽略间隙
Ws Wm q
Vs
接触电势差全部降落在空间电荷区
2、接触电势差
金属
+++++
+++++
+ +
V++s++<
++0++
+++++
+++++
Wm >Ws n 型半导体
2、接触电势差
2) Wm < Ws，反阻挡层
(EF)m>(EF)s 忽略间隙，平衡时的能带如图7-5所示。 反阻挡层
金属与半导体接触时，电子将由金属流向半导体，在半导体表 面形成负的空间电荷区。其中电场方向由表面指向体内，
VS
（7-7）
图7-4(c) 紧密接触
D 小到可以与原子间距相比时，电子就可自由穿过间隙。Vms很
小，接触电势差主要降落在空间电荷区上。这种紧密接触的情 形如图7-4（c）所示。
2、接触电势差
D = 0，极限情形，图7-4(d)
这时，Vms = 0，接触电势差全部降
落在空间电荷区。即
Ws
Wm q
Ev
图7-8
3、表面态对接触势垒的影响
即：在半导体表面存在高表面态密度时，半导体一边的势垒 高度被钉扎了。即使用不同功函数的金属与其接触，金属一 边的势垒高度

解： 设室温下杂质全部电离，那么
故
E F E n0 C N kD l T n N N N C C D e E xC p E 0 C .k (0 E T F l2 )n 2 .6 8 1 1 1 0 1 70 9E C 0 .147
即
EFEC0.1(5 eV )
故n-Si的功函数为 W S ( E C E F ) 4 . 0 0 . 5 1 4 5 . 2 ( e 0 )V
电子亲和能χ：真空能级与导带底之差〔导带底电子逸出体外的最小能量〕
金属中的功函数
半导体中的功函数 和电子亲和能
二、接触电势差
7.1 金属半导体接触及其能级图2
〔Wm> Ws〕
接触电势差
外表势：半导体外表 和体内的电势差
金属和n型半导体接触能带图
阻挠层：高阻， 整流
反阻挠层：低 阻，欧姆
整流
欧姆
欧姆
➢ 与pn结二极管异同
一样点：都具有单导游电性 不同点：
——SBD主要运用于高速集成电路、微波技术等领域
作业-课后习题8
第七章 金属和半导体的接触
施主浓度ND=10 16cm-3的 n型Ge资料，在它的〔111〕面上与金属接触制成 肖特基二级管。知VD=0.4V,求加上0.3V电压时的正向电流密度。设εr=16， ε0=8.85×10-14F/cm 。室温下硅的NC=4×1018cm-3, 有效理查逊常数 A*=120 (mn*/m0) =120×1.11A/cm2.K2。
7.2 金属半导体接触整流实际10
➢ 镜像力影响
——金属外面的电子在金属外表感应出正电荷；电子所遭到感应电 荷的作用，相当于金属体内与电子等间隔位置等量正电荷的作用
镜像力

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

负），使得n区电子漂移运动经过空间电荷区来到p区边界，p区空穴来 到n区边界，形成少数载流子的积累，即电荷存贮效应)
20
2)大的饱和电流
肖特基二极管是多子器件,而PN结二极管是少子器件,多子电流要比少子电流大的多, 即肖特基势垒二极管中的饱和电流远大于具有同样面积的PN结二极管的饱和电流。
3)低的正向电压降
26
4.8.2肖特基势垒箝位晶体管
由于肖特基势垒具有快速开关响应,因而可以把它和NPN晶体管的集电结
并联连接,以减小晶体管的存储时间,如左下电路图所示,当晶体管饱和,集电
结被正向偏置约为0.5V
C
C
E
B
B E
电路图
N+
N+
P
N N+ 集成结构
27
若肖特基二极管上的正向压降(一般为0.3V)低于晶体 管基极-集电极的开态电压,则大部分过量基极电流将流过 二极管,该二极管没有少数载流子存储效应,因此,与单独的 晶体管相比,合成器件肖特基势垒箝位晶体管的存储时间得 到了显著的降低。测得的存储时间可以低于1ns。肖特基势 垒箝位晶体管是按上图集成电路的形式实现的。铝在轻掺 杂的N型集电区上形成极好的肖特基势垒,同时在重掺杂的P 型基区上形成优良的欧姆接触.这两种接触可以只通过一步 金属化实现,不需要额外的工艺。
11
图4-4 被表面态箝位的费米能级
12
在大多数实用的肖特基势垒中，界面态在决定Φb的数值中处于 支配地位，势垒高度基本上与两个功函数差以及半导体中的掺 杂度无关。由实验观测到的势垒高度列于表4-1中。可以发现 大多数半导体的能量E0是在离开价带边Eg/3附近。在半导体中， 由于表面态密度无法预知，所以势垒高度是一个经验值。

WS Ec EF
Eg Ev
无表面态时的n型半导体
qVD
Ec
qΦ0
EF
Ev
存在表面态时的n型半导体
由于n型半导体的费米能级EFn处于禁带上半部，其位置必高于EFS0。根据 费米能级的物理内涵，EFS0和 EFn高低不等必然导致体内电子向表面转移， 使表面带负电，同时在靠近表面的近表面附近形成正空间电荷区，从而产
a) 表面态改变了半导体的功函数，使金-半接触的势垒高度不等 于功函数差
由于n型半导体的EF高于q0，而q0以上的表面态空着，所以近表面区的导带 电子就会来填充这些能级，于是使表面带负电，同时在近表面附近产生正的 空间电荷区，形成电子势垒，平衡时的势垒高度qVD使电子不再向表面填充。
b) 表面态密度很高时-势垒钉扎
➢ 1904年，美国电气工程师鲍斯获得Si和PbS点接触整流器的专利权 ➢ 1906年，美国电气工程师皮卡德获得点接触晶体检波器的专利权，这种器
件是晶体检波接收机（即矿石收音机）的关键部件；
➢ 1920年，硒（Se）金－半接触整流器投入应用； ➢ 1926年，Cu2O点接触整流二极管问世，并在二战中应用于雷达检波。
2022年1月26日星期三
3
第五章 金属和半导体的接触
5.1金属半导体接触及其平衡态
5.1.1 金属和半导体的功函数 5.1.2 有功函数差的金-半接触 5.1.3 表面态对接触电势差的影响 5.1.4 欧姆接触
5.2 金属半导体接触的非平衡状态
5.2.1 不同偏置状态下的肖特基势垒 5.2.2 正偏肖特基势垒区中的费米能级 5.2.3 厚势垒区金属半导体接触的伏安特性 5.2.4 薄势垒区金属半导体接触的伏安特性 5.2.5 金半接触的少子注入问题 5.2.6 非平衡态肖特基势垒接触的特点及其应用

蒸发法：通过加热金属或半导体材料使其蒸发，然后在真空中 沉积在半导体表面
溅射法：利用高能粒子轰击金属或半导体材料，使其溅射到半 导体表面
化学气相沉积法：通过化学反应将金属或半导体材料转化为气 体，然后在半导体表面沉积
离子注入法：将金属或半导体材料离子化，然后注入到半导体 表面
外延生长法：在半导体表面生长一层金属或半导体材料，形成 金属半导体接触层
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半导体：导电性能介于导体和绝缘 体之间的物质，如硅、锗等
金属和半导体接触时，会产生接触 电阻，影响器件性能
金属半导体接触：金属与半导体之间的接触 形成原因：金属与半导体之间的电荷转移 形成条件：金属与半导体之间的电势差 形成过程：金属与半导体之间的电子或空穴的转移
半导体器件的基础：金属半导体接触是半导体器件的基础，决定了器件的性能和稳定性。
材料性质：金属半导体接触的电导和热导还与材料的性质有关，如材料的导电性和热导 性等
光电导效应：金属半导体接触在光照下产生光电流 光生伏特效应：金属半导体接触在光照下产生光电压 光致电阻效应：金属半导体接触在光照下电阻发生变化 光致热效应：金属半导体接触在光照下产生热量，影响接触性能
金属半导体接触的 制备方法
离子注入技术：将离子注入半导体表面，形 成掺杂层
化学气相沉积技术：利用化学反应，在半导 体表面形成薄膜
物理气相沉积技术：利用物理方法，在半导 体表面形成薄膜
化学机械抛光技术：利用化学和机械作用， 对半导体表面进行抛光处理
金属半导体接触的 应用
半导体二极管： 金属半导体接 触作为二极管 的电极，实现 电流单向导通
金属半导体接触的 研究进展
石墨烯：具有优异的导电性 和热导率，可作为新型金属 半导体接触材料

• （2）正向导通电压低
•
SBD热电子发射代替P-N结非平衡载流子的扩散，载流
子热运动速度比扩散速度高几个数量级。
• 同样工作电流，SBD正向导通电压低。
精选ppt课件2021
10
势垒电容
• 在积累空间电荷的势垒区，当PN结外加电 压变化时，引起积累在势垒区的空间电荷的变 化，即耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减 少，这种现象与电容器的充、放电过程相同。 耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容。
• 当半导体均匀掺杂时肖特基势垒的空间电荷层宽度 和单边突变P-N结的耗尽层宽度相一致利用金属半导体 接触制作的检波器很早就应用于电工和无线电技术之中 ，如何解释金属半导体接触时表现出的整流特性，在20 世纪30年代吸引了不少物理学家的注意。德国的W.H. 肖脱基、英国的N.F.莫脱、苏联的Б.И.达维多夫发展了 基本上类似的理论，其核心就是在界面处半导体一侧存 在有势垒，后人称为肖脱基势垒。
• （1）低势垒接触
•
选择功函数与半导体的功函数接近的金属，
接触势垒小，足够载流子互相进入，整流效应小
。
• 金与P型硅势垒高度0.34 eV，Pt与P型硅势垒高 度0.25 eV。
• （2）高复合接触
•
金属与半导体的接触面附近，引入复合中心[
打磨（缺陷）、Cu、Au、Ni合金扩散（杂质）]
，形成高复合接触，复合掉非平衡载流子，没有
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7
• 金属-半导体作为一个整体在热平衡时有同样费米能 级.由半导体到金属,电子需要克服势垒;而由金属向半导 体,电子受势垒阻挡.在加正向偏置时半导体一侧的势垒 下降;相反,在加反向偏置时,半导体一侧势垒增高.使得金 属-半导体接触具有整流作用

阻挡层具有整流作用
32
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
33 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。 若半导体是均匀掺杂的，那么耗尽层中的电 荷密度也是均匀的，等于qND。 这时的泊松方程是
x
fdx q2
16 0
0
1 x2
dx
q2
16
0
x
半导体和金属接触时，在耗尽层中，选(EF)m 为势能零点，由于镜像力的作用，电子的势能
q2 qV (x)
16 r 0 x
q2
16 r 0 x
qns
q2ND
r 0
xxd
1 2
x2 47
qΔΦ
无镜象力
qΦns
有镜象力
(EF)m 0 xm
qVD
En
EC
EF
EV
（d）忽略间隙
9
半导体一边的势垒高度
qVD qVs Wm Ws , Vs 0
金属一边的势垒高度
qns qVD En qVs En Wm Ws En Wm
10
当金属与n型半导体接触
Wm>Ws
半导体表面形成一个正的空间电荷区 电场方向由体内指向表面 (Vs<0) 半导体表面电子的能量高于体内的，能
厚度依赖于外加电压的势垒，叫肖特基势垒。
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考虑漂移和扩散，流过势垒的电流密度