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6-第七章 金属半导体接触和MIS结构

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半导体物理第七章金属与半导体的接触

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 )

第七章-半导体表面与MIS结构

第七章-半导体表面与MIS结构
达姆在1932年用量子力学严格证明，晶体的自由 表面的存在，使得周期性势场在表面处发生中断， 引起附加能级，电子被局域在表面附近，这种电 子状态称为表面态，所对应的能级为表面能级。 每个表面原子对应一个能级，组成表面能带
从化学键方面分析，在晶体最外层的原子存在未 配对的电子，即未饱和的键－－悬挂键，与之对 应的电子能态就是表面态。
表面势为零，表面处能带不产生弯曲，即所谓 平带状态。
EFm
VG=0
Ec Ei
EFs Ev
特征：半导体表面能带平直。
（3）VG ＞ 0 耗 尽 状 态
表面势为正，能带下弯，价带顶位置比费米能级
VG ＞ 0
低得多。
①表面能带向下弯
EFm

Ec EEFi s
曲； ②表面上的多子浓
Ev
度比体内少得多，
QQmm
在VG＝0时，理想半导体的能带不发生弯 曲，即平带状态flat-band condition，有时也 称为一种状态。
一般情况讨论,以p型半导体为例： VG=0时,理想MIS结构的能带图
EFm
Eci
Ec Ei EFs Ev
Evi
在金属和P型半导体间加上电压，则将会 在半导体的表面层中产生空间电荷区，
•VG ＜0时，多子积累状态； •VG ＝0时，平带状态；
••VVGG＞00时时，，多少子子耗反尽型状状态态；；
下面分别加以说明（对P型半导体）：
考虑热平衡下的情况，此时半导体体内的费米能级 保持定值
（1）VG<0 多子空穴的积累
在热平衡时，半导体内的费米能级保持定值
EFm

Qm
VG<0
Ec Ei EFs
硅表面7× 7重构的原子照片

第7章 金属半导体接触和MIS结构分析

第7章 金属半导体接触和MIS结构分析

内建电场的方向N型半导体指向金属。与p-n结一样，产生了 金属-半导体接触的表面势垒。又称电子阻挡层（容易形成肖特 基接触）。达到平衡后，空间电荷漂移与扩散平衡，净电荷为零， 净电流也为零，接触电势差为属的功函数小于N型半导体的功函数，即金 属的费米能级高于半导体的费米能级，同样的分析可得， 金属中的电子向半导体流动，在金属一侧带正电（一层 高密度的空穴层），半导体一侧形成带负电一定厚度的 电子积累区，从而形成了一个具有电子高导电率的空间 电荷区，成为电子高导区，又称反阻挡区。 （容易形 成欧姆接触）
接触后，虽然金属的电子浓度大于半导体的电子浓度，但金 属的费米能级远低于半导体的费米能级，所以，电子向金属扩散， 使金属表面电子浓度增加，带负电；另一侧的半导体表面，则带 正电。半导体和金属保持电中性，正、负电荷数相等，构成了一 个统一的电子系统，具有共同的费米能级，提高了半导体的电势， 降低了金属的电势。 电子从半导体流向金属后，在半导体表面留下一定厚度的正 电层（施主离子），而流向金属的电子，由于正电离子的静电吸 引，集中分布在接触界面层的金属一侧，与施主离子一起，形成 了一定厚度的空间电荷区，从而形成了内建电场。
金属材料的功函数Wm 金属材料作为导体，通常没有禁带，自由电 子处于导带中，可以自由运动，导电能力强。在 金属中，电子业服从费米分布，与半导体一样， 在0K时，电子充满费米能级（Efm）以下的能级， 费米能级以上的能级全空。当温度升高时，电子 吸收能量，从低能级跃迁到高能级，而极少的高 能级电子吸收了足够的能量后，可跃迁到金属体 外。 一个金属电子跃迁到体外所需要的最小能 量Wm为： Wm=E0-Efm 一般金属的功函数只有几个电子伏特，铯最 低（1.93eV）,铂最高（5.36eV）
半导体材料的功函数Ws 同样，对于半导体材料中的电子，从导带， 或价带跃迁到体外，也需要一定的能量.Efs是半 导体的费米能级。

第四讲 金属半导体接触和MIS结构..

第四讲 金属半导体接触和MIS结构..

15
内建电场方向
N型半导体
P型半导体
Wm>Ws
S-M
阻挡层 反阻挡层 （欧姆接触）
反阻挡层 （欧姆接触） 阻挡层
Wm<Ws
M-S
16
解决办法

形成反阻挡层（引起需要的载流子顺利通过界面） 半导体表面形成重掺杂层，势垒区宽度变得薄，电子 通过隧道效应产生相当大的隧道电流，当隧道电流占 主导地位时，电流具备双向导通性，接触电阻可以很 小，并且可以忽略，可以用作欧姆接触。
P N

1 PN结的形成
在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质, 分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半 导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散
1 PN结的形成
2 PN结的单向导电特性
PN结的单向导电性只有在外 加电压时才会表现出来
（一）、PN结加正向电压 Ｐ－正, Ｎ－负。正向电压或正向偏置(简称正偏)
耗尽区
扩散运动大于漂移运动
多数载流子形成的扩 散电流起支配作用
正 向 电 流 IF
＋
外电场
内电场 U UB－U
－
少数载流子形成的漂 移电流方向相反，很 小，可忽略。
E0
EF
金属功函数 半导体功函数
Wm E0 ( EF ) m
Ws E0 ( EF ) s
11
MS结构形成的本质



任何两种相接触的物质的费米能级（或者严格意义上来说 化学势）必须相等。（不患寡而患不均） 接触金属和半导体会有不同的功函数 当两种材料相接触时，电子会从低功函的一边流向高功函 的另一边，电子从费米能级高的一边流向费米能级低的 一边直到费米能级相平衡。 费米能级高的一方为电子输出方，随着电子的输出和迁移， 其表面留下一定厚度带正电的施主离子 输出到对方的电子则会被这些正电离子吸引，聚集在另一 侧的边缘，形成内建电场。 内建电场方向从费米能级高的一边指向低的一边。 整个金属-半导体系统保持电中性，输出电子的一方电势 升高，聚集电子的一方电势降低

半导体物理第七章金属和半导体接触

半导体物理第七章金属和半导体接触

（1）扩散理论
xd>> ln时，电子通过势垒区将发生多次碰撞。 势垒高度qVD>>k0T 时，势垒区内的载流子浓度近似 等于零。
耗尽层中的电荷密度：
q0ND
(0xxd) (xxd)
（1）
代入泊松方程 d 2V
dx 2
r 0
即
d 2V dx 2
qN D
r 0
0
(0 x xd ) (x xd )
将（3）式代入（4）式，则在xm处的电势降落为：
无镜象力
q
q ns
q
* ns
有镜象力
0 xm
x
镜象势能
qJ反向
q q ns ( q )V ( x m )
q2ND
r0
xm xd
1 4
4
2q7 N D
2
3 r
3 0
(V D
V)
q 可增见大金q反。属n*向一s 偏边q 压有和 效n掺势s杂垒q较高高度时将导半q致导势D V * 体垒 侧最q 有高(V 效点D 势降 垒落 高值度)
讨论
（1）V > 0 时
qV
如果 qVk0TJJSD ek0T
（2）V < 0 时
如果 q Vk 0T JJSD
I
0
V
Mg2Si-nSi与Al-nSi肖特基二极管V-I特性
（2）热电子发射理论 xd<< ln时，电子通过势垒区的碰撞可以忽略。当电
子动能大于势垒顶部时，电子可以自由越过势垒进入另 一边——热电子发射。
N D exp
q (V D V ) k 0T
N c exp
q ns exp k 0T
qV k 0T

半导体物理西交课件-金属和半导体的接触

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

第七章 金属-半导体接触

第七章 金属-半导体接触

若 xd0 xm, 从上式得到
xm
1
4(NDxd0)1/2
势能的极大值小于qΦns。这说明，镜象力使 势垒顶向内移动，并且引起势垒的降低 q 。
q q2 rN 0 Dm m xd1 4 2 q 27N r 3D 0 3V D V 1/4
镜像力所引起的势垒降低量随反向电压的增加 而缓慢地增大 当反向电压较高时，势垒的降低变得明显， 镜像力的影响显得重要。
E F E V ( 0 ) ( E C E F )
则 p(0) 值应和 n0 值相近，n(0)也近似等于p0
势垒中空穴和电子所处的情况几乎完全相同，只 是空穴的势垒顶在阻挡层的内边界。
在加正向电压时，空穴将流向半导体，但它们并
不能立即复合，必然要在阻挡层内界形成一定的积 累，然后再依靠扩散运动继续进入半导体内部。
2、金属半导体接触整流理论
整流理论-阻挡层 平衡态阻挡层—无净电流
从半导体进入 金属的电子流
从金属进入 半导体的电子流
在金属和半导体之间
加上外加电压？
-q(Vs+V)
qVD
以n型半导体为例：
qΦns
Ec
阻挡层为高阻区域
—外加电压主要降落在阻挡层
(EF)s
平衡态时：表面势VS<0 势垒高度qVD=-qVs 外加正电压：V>0
2
xc
隧道效应引起的势垒降低为
2qr3N0DVDV1/2xc
反向电压较高时，势垒的降低才明显
④肖特基势垒二极管
肖特基势垒二极管： 利用金属-半导体整流接触特性制成的二极管。 肖特基势垒二极管与pn结二极管的区别： （1）多数载流子器件和少数载流子器件 （2）无电荷存贮效应和有电荷存贮效应 （3）高频特性好。 （4）正向导通电压小。

半导体物理学第七章知识点

半导体物理学第七章知识点

第7章 金属－半导体接触本章讨论与pn 结特性有很多相似之处的金－半肖特基势垒接触。

金－半肖特基势垒接触的整流效应是半导体物理效应的早期发现之一：§金属半导体接触及其能级图一、金属和半导体的功函数1、金属的功函数在绝对零度，金属中的电子填满了费米能级E 以下的所有能级，而高于E 的能级则全部是空着的。

在一定温度下，只有E 附近的少数电子受到热激发，由低于E 的能级跃迁到高于E 的能级上去，但仍不能脱离金属而逸出体外。

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，金属中的电子是在一个势阱中运动，如图7-1所示。

若用E 表示真空静止电子的能量，金属的功函数定义为E 与E 能量之差，用W 表示：FM M E E W -=0它表示从金属向真空发射一个电子所需要的最小能量。

W M 越大，电子越不容易离开金属。

金属的功函数一般为几个电子伏特，其中，铯的最低，为；铂的最高，为 eV 。

图7-2给出了表面清洁的金属的功函数。

图中可见，功函数随着原子序数的递增而周期性变化。

2、半导体的功函数和金属类似，也把E 与费米能级之差称为半导体的功函数，用W 表示，即FS S E E W -=0因为E FS 随杂质浓度变化，所以W 是杂质浓度的函数。

与金属不同，半导体中费米能级一般并不是电子的最高能量状态。

如图7-3所示，非简并半导体中电子的最高能级是导带底E 。

E 与E 之间的能量间隔C E E -=0χ被称为电子亲合能。

它表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需要的最小能量。

利用电子亲合能，半导体的功函数又可表示为)(FS C S E E W -+=χ式中，E n =E C －E FS 是费米能级与导带底的能量差。

图7-1 金属中的电子图7－2 一些元素的功函数及其原子序数图7-3 半导体功函数和电子亲表7-1 几种半导体的电子亲和能及其不同掺杂浓度下的功函数计算值(eV)二、有功函数差的金属与半导体的接触把一块金属和一块半导体放在同一个真空环境之中，二者就具有共同的真空静止电子能级，二者的功函数差就是它们的费米能级之差，即W －W ＝E FS －E FM 。

半导体物理第七章半导体和金属的接触

半导体物理第七章半导体和金属的接触

EC
EF
EV
p (0 )=p0
⎛ exp ⎜
⎝
qVD k0T
⎞ ⎟ ⎠
>
p0
扩散
M
n−S
漂移
一、少数载流子的注入
在正向电压作用下，金属和n型半导体接触使得半导体中空穴浓 度增加的现象称为少子的注入。
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。
注入程度：
<1>正向电压： J= J ST
⎛ exp ⎜
⎝
qV k0T
⎞ ⎟ ⎠
<2>反向电压： J = − J ST
− J ST
Ge、Si、GaAs有较高的载流子迁移率、较大的平均自由程， 主要是热电子发射。
整流理论对比
扩散理论
热电子发射理论
¾厚阻挡层 ¾电流源于半导体一侧电子的 漂移或扩散
J
=
J SD
⎡⎛ ⎢exp ⎜ ⎢⎣ ⎝
中的电子数：
⎪⎩vz ~vz + dvz
( ) dn'
=
n0
⎛ ⎜ ⎝
mn∗
2π k0T
3
⎞2 ⎟ ⎠
⎡ exp ⎢−
⎢⎣
mn∗
vx2 + vy2 + vz2 2k0T
⎤
⎥ ⎥⎦
dvx
dvy
dvz
三、热电子发射理论
能够运动到Ｍ-Ｓ界面的电子数为：
( ) vxdn'
=
n0
⎛ ⎜ ⎝
mn∗
2π k0T
扩散方向与漂移方向相反
无外加电压： 扩散与漂移相互抵消——平衡； 反向电压： 漂移增强——反偏； 正向电压： 扩散增强——正偏

第13讲 金属-半导体接触和MIS结构.

第13讲 金属-半导体接触和MIS结构.

• •
• 7.2 欧姆接触 • 欧姆接触：电流和电压关系遵循欧姆定律，欧姆接触 好坏的参量是特征电阻，又称接触电阻。（好的接触，特 征电阻小于10-7 Ώ.cm） • 金属的功函数小于N型半导体的功函数、金属的功函 数小于P型半导体的功函数，形成高电导区（反阻挡层）。
N型半导体
金属的功函数小于N型半导体的功函数
•
• 肖特基二极管（SBD）
•
具有整流效应的金属-半导体接触，称 为肖特基接触。 • 以此为基础制成的二极管称为肖特基二 极管（SBD），它比一般的半导体二极管 特性更好。
• • • • • • •
肖特基二极管（SBD）特性： （1）高频性能好，开关速度快 SBD电流取决于多数载流子的热电子发射；（功函数差） P-N结电流取决于非平衡载流子的扩散运动。（浓度差） SBD：不发生电荷存储效应； P-N结：电荷存储效应。 电荷的积累和消失需要时间，限制高频和高速器杂接触 • 金属与半导体的接触处，扩散或合金法，掺入 高浓度施主或受主杂质，构成金属-N+-N或金属P+-P结构，形成高掺杂接触。 • 流过金属-N+-N接触电流主要是电子电流，空 穴电流小，非平衡载流子（空穴）注入可忽略。 • 接触处存在势垒，掺杂浓度高，势垒宽度薄， 容易发生电子的隧道穿透，不能阻挡电子运动， 实现欧姆接触。 • 大多采用高掺杂接触。
•
理论上，选择功函数比N型半导体的功函数 小、功函数比P型半导体的功函数大的金属，形 成高电导区（反阻挡层），阻止整流作用。
•
• •
•
• •
实际工艺，常用的欧姆接触制备技术有：低势 垒接触、高复合接触、高掺杂接触。 （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，没有整 流作用。

6-第七章 金属半导体接触和MIS结构

6-第七章 金属半导体接触和MIS结构







7.1.1 功函数的概念 固体中的共有化电子虽然能在固体中自由运动，但绝大 多数所处的能级都低于体外能级。要使电子从固体中逸 出，必须由外界给它以足够的能量。 固体功函数：固体中位于费米能级处的一个电子移到体 外自由空间所作的功。（逸出功） 真空 W=E0-Ef E0 E0: 真空中的静止电子能量； Ef : 费米能级。

y
整流效应（单向导电）的 金属和半导体接触，称为 肖特基接触；具线性和对 称的电压电流关系为欧姆 接触。
x


7.1.3 金属-半导体接触的能带 金属-半导体接触，费米能级通过功函数表示，功函数大， 费米能级Ef位置低，功函数小，费米能级Ef位置高。 （1）金属-N型半导体材料接触 1）接触前金属的功函数大于半导体的功函数，费米能级 差等于功函数差。
E0 Efm
金属
E
高电子电导区


7.1.4金属-半导体接触整流特性 在金属和N半导体之间加电压，影响内建电场和表面施 垒。 1）金属的功函数大于N型半导体的功函数，金属接正极， 半导体接负极。外电场与内建电场相反，抵消部分，电 子阻挡层变薄，电子从半导体流向金属。电压增加，电 流随之增加。


（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。


7.2 欧姆接触 欧姆接触：电流和电压关系遵循欧姆定律，欧姆接触好 坏的参量是特征电阻，又称接触电阻。（好的接触，特 征电阻小于10-7 Ώ.cm） 金属的功函数小于N型半导体的功函数、金属的功函数小 于P型半导体的功函数，形成高电导区（反阻挡层）。

金属和半导体的接触

金属和半导体的接触

1 （ ）扩散 理论 (kuòsàn)
n型阻挡层，当势垒的宽度比电子的平均自
由程大得多时(xd>>Ln )，电子通过势垒区要发
生(fāshēng)多次碰撞，这样的阻挡层称为 厚阻挡层--适用于扩散理论
Ln:电子的平均自由(zìyóu)程 Xd:势垒宽度
第十九页，共三十一页。
势垒区存在电场，有电势的变化，载流子浓度不均 匀。计算通过势垒的电流时，必须同时考虑漂移和扩 散运动。
金属电势降低 半导体电势(diànshì)提高
肖特基势垒高度
金属和n型半导体接触能带图（Wm>Ws）
（a）接触前；（b）间隙很大； （c）紧密(jǐnmì)接触；（d）忽略间隙
金半间距D远大于原子间距时
平衡态，费米能级相等
(b )接触 V m 电 sV m 势 V s' W 差 s q W m
D 正负电荷密度增加 空间电荷区形成（why），表面势，能带弯曲
(
E
s F
)
巴丁模型
第九页，共三十一页。
Rectification Theory of Metal-Semiconductor Contact
1、阻挡层的整流特性
——外加(wàijiā)电压对阻挡层的作用
第十页，共三十一页。
▪ 概念
➢ 整流理论是指阻挡层的整流理论 ➢ 紧密接触的金属和半导体之间有外加电压
第七章 金属(jīnshǔ)和半导体的接触
§7.1 金属(jīnshǔ)半导体接触
及其能带图 E-mail:
第一页，共三十一页。
本章(běn zhānɡ)内容提要
▪ 金半接触(jiēchù)及其能级图
▪ 整流特性
▪ 少子注入和欧姆接触

半导体物理答案

半导体物理答案

第一篇 半导体中的电子状态习题1-1、 什么叫本征激发？温度越高，本征激发的载流子越多，为什么？试定性说明之。

1-2、 试定性说明Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因。

1-3、试指出空穴的主要特征。

1-4、简述Ge 、Si 和GaAS 的能带结构的主要特征。

1-5、某一维晶体的电子能带为[])sin(3.0)cos(1.01)(0ka ka E k E --=其中E 0=3eV ，晶格常数a=5х10-11m 。

求：（1） 能带宽度；（2） 能带底和能带顶的有效质量。

题解：1-1、 解：在一定温度下，价带电子获得足够的能量（≥E g ）被激发到导带成为导电电子的过程就是本征激发。

其结果是在半导体中出现成对的电子-空穴对。

如果温度升高，则禁带宽度变窄，跃迁所需的能量变小，将会有更多的电子被激发到导带中。

1-2、 解：电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带，即允带和禁带。

温度升高，则电子的共有化运动加剧，导致允带进一步分裂、变宽；允带变宽，则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。

反之，温度降低，将导致禁带变宽。

因此，Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数。

1-3、 解：空穴是未被电子占据的空量子态，被用来描述半满带中的大量电子的集体运动状态，是准粒子。

主要特征如下：A 、荷正电：+q ；B 、空穴浓度表示为p （电子浓度表示为n ）；C 、E P =-E nD 、m P *=-m n *。

1-4、 解：（1） Ge 、Si:a ）Eg (Si ：0K) = 1.17eV ；Eg (Ge ：0K) = 0.744eV ；b ）间接能隙结构c ）禁带宽度E g 随温度增加而减小；（2） GaAs ：a ）Eg (0K) = 1.52eV ；b ）直接能隙结构；c ）Eg 负温度系数特性： dE g /dT = -3.95×10-4eV/K ；1-5、 解：（1） 由题意得：[][])sin(3)cos(1.0)cos(3)sin(1.002220ka ka E a k d dE ka ka aE dk dE+=-=eVE E E E a kd dE a k E a kd dE a k a k a k ka tg dk dE ooo o 1384.1min max ,01028.2)4349.198sin 34349.198(cos 1.0,4349.198,01028.2)4349.18sin 34349.18(cos 1.0,4349.184349.198,4349.1831,04002222400222121=-=∆<⨯-=+==>⨯=+====∴==--则能带宽度对应能带极大值。

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源
栅极
漏


作业： P50，7-2、7-5

y
整流效应（单向导电）的 金属和半导体接触，称为 肖特基接触；具线性和对 称的电压电流关系为欧姆 接触。
x


7.1.3 金属-半导体接触的能带 金属-半导体接触，费米能级通过功函数表示，功函数大， 费米能级Ef位置低，功函数小，费米能级Ef位置高。 （1）金属-N型半导体材料接触 1）接触前金属的功函数大于半导体的功函数，费米能级 差等于功函数差。






7.1.1 功函数的概念 固体中的共有化电子虽然能在固体中自由运动，但绝大 多数所处的能级都低于体外能级。要使电子从固体中逸 出，必须由外界给它以足够的能量。 固体功函数：固体中位于费米能级处的一个电子移到体 外自由空间所作的功。（逸出功） 真空 W=E0-Ef E0 E0: 真空中的静止电子能量； Ef : 费米能级。
EFf m E
固体



（1）金属材料的功函数 绝对零度时，金属中的电子填满了费米能级 EF以下的所 有能级，而高于 EF的能级则全部是空着的。 一定温度下，只有EF附近的少数电子受到热激发，由低 于 EF的能级跃迁到高于EF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。 一个电子从金属跃迁到体外所需最小能量Wm： 真空 Wm=E0-Efm E0
真空
E0 Ws
半导体费米能级与半导体 型号和杂质浓度有关，功 函数也与半导体型号和杂 质浓度有关。
Ec
EF s
半导体

由于p型半导体的费米能级较低，所以功函数比n型半导 体大； p型半导体的杂质浓度越高功函数越大，n型半导体则相 反。
7.1.2金属-半导体接触 金属-半导体接触：是通过在半导体表面真空蒸发一 金属表面形成，常用的金属有铝和金。 不同伏安特性： （1）半导体掺杂浓度低（低于5*1023/cm3），类似p-n结单 向导电性。（红） （2）掺杂浓度很高（高于1026/cm3），电流随电压增加（正 向或反向），电流成倍增加，相当于一个很小电阻。绿
第七章 金属-半导体接触和MIS结构
微电子学院

7.1 金属-半导体接触
金属-半导体接触：指的是有金属和半导体相互接触 而形成的结构。 现代半导体工艺中，金属-半导体接触是通过在半导 体表面真空蒸发一金属表面形成，常用的金属有铝和金。 金属-半导体接触可形成整流特性接触和欧姆接触。 整流特性接触：金属细丝与半导体表面形成整流接触。 欧姆接触：电极连接作用，等效一个小电阻。


（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。


7.2 欧姆接触 欧姆接触：电流和电压关系遵循欧姆定律，欧姆接触好 坏的参量是特征电阻，又称接触电阻。（好的接触，特 征电阻小于10-7 Ώ.cm） 金属的功函数小于N型半导体的功函数、金属的功函数小 于P型半导体的功函数，形成高电导区（反阻挡层）。
N型半导体
金属的功函数小于N型半导体的功函数

理论上，选择功函数比N型半导体的功函数小、功函数 比P型半导体的功函数大的金属，形成高电导区（反阻 挡层），阻止整流作用。


实际工艺，常用的欧姆接触制备技术有：低势垒接触、 高复合接触、高掺杂接触。 （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，没有整流作用。
E0 Efm 金属
Ec Efs Efm Ev
＋＋ Efs E
电子阻挡层


达到平衡，从N型半导体扩散（电场作用力）向金属和 从金属漂移（浓度差）到半导体的电子数相等。 势垒两边电势差称为金属-半导体接触电势差
Vms= (Efs-Efm) /q= ( Wfm-Wfs ) /q


2）接触前金属的功函数小于半导体的功函数，金属费米 能级高。 金属表面形成高密度空穴层，半导体侧形成电子积累区， 电子高导电率的空间电荷区，又称高电子电导区，或反 阻挡区。 2、金属与P型半导体接触类似，形成空穴阻挡区和高电 导区。 （阅读5分钟） Ec Efs Ev ＋ Efm ＋ Efs

MOSFET（金属-氧化层-半导体-场效晶体管）基本结 构


绝缘栅场效应晶体管 具有栅电极（用G 表示），源电极（用S 表示）和漏电极（用D表示） 的三端器件。 其中与半导体直接形成欧姆接触的两个电极分别称为源极和漏极， 被限制在源极和漏极之间的导电区域称为沟道。 与绝缘层接触并隔着绝缘层与源电极和漏电极志着电子 在金属中束缚的强弱， Wm越大，电子越不容易 离开金属。
EF m
金属 Ev



（2）半导体材料的功函数 在半导体中，导带底Ec和价带顶Ev一般都比E0低几个电 子伏特。要使电子从半导体逸出，也必须给它以相应的 能量。 和金属类似可以定义半导体的功函数： Ws=E0-Efs



隧道效应 施加反向偏压时，势垒区能带发生倾斜；反向偏压越大， 势垒越高，势垒区的内建电场也越强，势垒区的能带也 越倾斜，甚至可以使得p区的价带顶比n区的导带底还要 高。此时p区的价带中的电子将较容易到达n区的导带。 这个效应称为隧道效应。 当反向电压达到一定程度，通过隧道效应产生的反向电 流将突然增大，此时称为pn结的隧道击穿。
电子 变窄



7.3 金属-绝缘层-半导体结构（MIS） 金属-绝缘层-半导体结构（MIS）：金属和半导体中插入 绝缘层。集成电路CMOS核心单元。 结构是一个电容，金属和半导体间加电压，金属表面一 个原子层堆积高密度载流子。半导体中相反电荷产生。 形成内建电场，空间电荷区两端产生电势差Vs，称为表 面势。 表面势：半导体表面相对于半导体体内的电势差。表面 电势高于体内电势时，表面电势为正值，反之负值。 金属 绝缘层 半导体
E0 Efm
金属
E
高电子电导区


7.1.4金属-半导体接触整流特性 在金属和N半导体之间加电压，影响内建电场和表面施 垒。 1）金属的功函数大于N型半导体的功函数，金属接正极， 半导体接负极。外电场与内建电场相反，抵消部分，电 子阻挡层变薄，电子从半导体流向金属。电压增加，电 流随之增加。

Efs-Efm=Wfm-Wfs
E0 Ec Efs
Efm
金属
Ev


金属的费米能级低于半导体费米能级。半导体中电子向 金属扩散，金属表面带负电，半导体表面带正电。 正负电荷相等，保持电中性，统一的费米能级。
E0 Efm 金属
Ec Efs Efm Ev
＋＋ Efs

电子流动后，N半导体表面留下施主离子正电荷，金属一 侧电子层，形成空间电荷区。形成内建电场。 与P-N结相似，内建电场产生势垒，称为金属-半导体接触 表面势垒，又称电子阻挡层。


2）金属的功函数大于N型半导体的功函数，金属接负极， 半导体接正极。外电场与内建电场一致，电子阻挡层变 厚，电子从半导体流向金属很少。电流几乎为0。 与P-N结类似，具整流效应。 整流特性金属-半导体接触，称为肖特基接触，肖特基二 极管（SBD）



肖特基二极管（SBD）特性： （1）高频性能好，开关速度快 SBD电流取决于多数载流子的热电子发射；（功函数差） P-N结电流取决于非平衡载流子的扩散运动。（浓度差） SBD：不发生电荷存储效应； P-N结：电荷存储效应。 电荷的积累和消失需要时间，限制高频和高速器件应用。


（3）高掺杂接触 金属与半导体的接触处，扩散或合金法，掺入高浓度施 主或受主杂质，构成金属-N+-N或金属-P+-P结构，形成高 掺杂接触。 流过金属-N+-N接触电流主要是电子电流，空穴电流小， 非平衡载流子（空穴）注入可忽略。 接触处存在势垒，掺杂浓度高，势垒宽度薄，容易发生 电子的隧道穿透，不能阻挡电子运动，实现欧姆接触。 大多采用高掺杂接触。
栅极。


n沟道MOS管基本工作原理
源极与衬底短接，当Vgs=0 时，由于PN结耗尽层的作用，漏源之间阻 抗很大，无电流通过。 当Vgs>0 时，栅极上的正电荷在栅氧化层中产生一个垂直电场， 空穴被排斥离开表面，随着Vgs的增大，当空穴被排斥尽，电子从n+ 源、漏区和衬底深处被吸引到表面。这时，在栅氧化层下的衬底表面 出现反型层，是n型层，形成源区和漏区的通道，称为沟道。在漏、 源电压VDS作用下，便有电子从源区经过沟道到达漏区形成沟道电流 ID。 阈值电压VT , 开始形成反型层时的最小栅极电压。