Metal-Semiconductor Contact

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1、第六章金属和半导体的接触Metal-SemiconductorContactByProf.Dr.JunZhuUESTC主要内容（三大点，约10课时）：§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。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

2、得界面接触显得更加重要。2、MESFET(metal-semiconductorfield-effecttransistor)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。3、第一个实际的半导体器件就是点接触整流性的金半接触，就是将细须状金属压在半导体表面。从1904年起，该器件有许多不同的应用。1938年，Schottky提出其整流作用，可能由半导体中稳定的空间电荷区所产生的电

3、势能差引起的，由此所建立的模型称肖特基势垒（Schottkybarrier).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、Ws1、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。即：WE(E)m0FmE0E0为真空中电子的能量，Wm又称为真空能级。(EF)m金属铯Cs的功函数最低1.93eV，Pt最高为5.36eV2、半导体的功函数WsE0χWsE

4、cE0与费米能级之差称为半导体En的功函数。(EF)sEv即：WE(E)s0Fs用Χ表示从Ec到E0的能量间隔：EE0c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。①N型半导体：故常用亲和能表征半导体WsEcEFsEn式中：EE(E)ncFs②P型半导体：WE(E)EEsoFsgp式中：E(E)EpFsv3、金属/半导体接触半导体半

5、导体What?金属金属新的物理效应能带结构发生变化和应用三、金属与半导体的接触及接触电势差1.阻挡层接触（1）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：WmWsE0WsWmEEc即半导体的费米能EnEFsEFmFs高于金属的费米能EFm金属的传导电子的浓度E2223-3v很高，10～10cm半导体载流子的浓度比金属n半导体较低，1010～1019cm-3金属半导体接触前后能带图的变化：E0E0接触后WWsmEcEFsqqVDEEFmmcEEFF在半导体内，电接触

6、前场从右到左，越Ev靠左，电子动能xd越小，势能越高Ev接触前，半导体的费米能级高于金属（相对于真空接触后，金属和半导体的费能级），所以半导体导带米能级应该在同一水平，半的电子有向金属流动的可导体的导带电子必然要流向能金属，而达到统一的费米能在接触开始时，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。WW接触电势差：‘smVVVmsmsq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

7、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：qVqVWWDsms电场EqqVD半导体体内电场为零，在空mEc间电荷区电场方向由内向外，EF半导体表面势V＜0sE金属一边的势垒高度为：vqqVEqVEmnDnsnWWEWmsnm所以：金属与N型半导体接触时电场，若Wm>Ws，即半导体EqqVD的费米能级高于金属，电mEc子向金属

8、流动，稳定时系EF统费米能级统一，在半导体表面一层形成正的空间Ev电荷区，能带向上弯曲，形成电子的表面势垒。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。（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