第13讲金属-半导体接触和MIS结构.
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6-第七章 金属半导体接触和MIS结构
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。
《金属半导体接触》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
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
金属和半导体的接触
（2）金属与p型半导体接触
Wm > Ws 电子由半导体进入金属，半导体表面处能带上弯，Vs<0， 表面是空穴势阱，空穴积累，高电导层，p型反阻挡层
Wm < Ws 电子由金属进入半导体，半导体表面处能带下弯，Vs>0， 形成空穴势垒，空穴耗尽层，p型阻挡层
电子势垒，耗尽层 高电阻，阻挡层
电子势阱，积累层 高电导，反阻挡层
空间电荷减少，势垒高度下降
（金属表面势垒高度基本不变）
金属
半导体
IF正向电流
qφns
q(VD -V)
qV
EF
半导体势垒由qVD降低为q[VD-V]，破坏了原来的 平衡，半导体到金属的电子流占优势（多子） 形成从金属到半导体的正向电流（多子电流） 外加电压V 越大，势垒高度降低越多，正向电流 越大
n型阻挡层（Wm > Ws，Vs < 0）
（金属表面势垒高度基本不变）
很小 金属势垒高度基本不随外加电压改变（反向 饱和电流）
金属
半导体
IR反向电流
qφns
-qV
q(VD -V)
EF
p型阻挡层（Wm < Ws，Vs > 0）
可作类似讨论
NOTE:
由于Vs > 0，正向电压、反向电压极性与n型阻挡层时相反
即：p型阻挡层
金属接负，半导体接正
-
1940s～：随着p-n结二极管的出现，金-半接触在器件方面的应用地位降低
1960s：平面工艺制作出金-半二极管(肖特基二极管)
<近乎理想的伏安特性，噪声低，频率特性好>
随后，应用领域的快速发展推动了金-半接触理论的进一步发展
5
金属—半导体接触
Wm > Ws 电子由半导体进入金属，半导体表面处能带上弯，Vs<0， 表面是空穴势阱，空穴积累，高电导层，p型反阻挡层
Wm < Ws 电子由金属进入半导体，半导体表面处能带下弯，Vs>0， 形成空穴势垒，空穴耗尽层，p型阻挡层
电子势垒，耗尽层 高电阻，阻挡层
电子势阱，积累层 高电导，反阻挡层
空间电荷减少，势垒高度下降
（金属表面势垒高度基本不变）
金属
半导体
IF正向电流
qφns
q(VD -V)
qV
EF
半导体势垒由qVD降低为q[VD-V]，破坏了原来的 平衡，半导体到金属的电子流占优势（多子） 形成从金属到半导体的正向电流（多子电流） 外加电压V 越大，势垒高度降低越多，正向电流 越大
n型阻挡层（Wm > Ws，Vs < 0）
（金属表面势垒高度基本不变）
很小 金属势垒高度基本不随外加电压改变（反向 饱和电流）
金属
半导体
IR反向电流
qφns
-qV
q(VD -V)
EF
p型阻挡层（Wm < Ws，Vs > 0）
可作类似讨论
NOTE:
由于Vs > 0，正向电压、反向电压极性与n型阻挡层时相反
即：p型阻挡层
金属接负，半导体接正
-
1940s～：随着p-n结二极管的出现，金-半接触在器件方面的应用地位降低
1960s：平面工艺制作出金-半二极管(肖特基二极管)
<近乎理想的伏安特性，噪声低，频率特性好>
随后，应用领域的快速发展推动了金-半接触理论的进一步发展
5
金属—半导体接触
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。
半导体mis结构ppt
表面缺陷和吸附原子
除了上述表面态外，在表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子 等原因引起的表面态。
这种表面态的特点是，其表面态的大小与表面经过的处理方法 有关；而达姆表面态对给定的晶体在“洁净”表面时为一定值 大约为1015cm-2(每个表面原子对应禁带中的一个能级)，实际 上由于表面被其它原子覆盖，表面态比该值小得多，为1010～ 1015cm-2 。
越接近表面空穴浓度越高，堆积的空穴分布在 最靠近表面的薄层内。
MI
S
VG<0
EC
EEi F
EV
2 .平带状态 VG=0
ECI
M
I
S
EFm
EC
Ei EFs EV
EVI
半导体表面能带平直，无弯曲
3．多子耗尽状态 金/半间加正电压（金属接正）时，表面势Vs为正， 表面处能带向下弯曲，如图示。
EC
Ei EF EV VG>0
堆积 平带 耗尽 少数反型
金属 绝缘层
半导体 欧姆接触
1．多数载流子堆积状态
金属与半导体间加负电压（金属接负）时， 表面势为负，表面处能带上弯，如图示。
MI
S
VG<0
E
EC EEi F EV
多子堆积
热平衡下，费米能级应保持定值。 随着向表面接近，价带顶逐渐移近甚至高过
费米能级，价带中空穴浓度随之增加。 表面层出现空穴堆积而带正电荷。
M
O
S
表面电场效应
如图装置是MIS结构。
(Metal-Insulator-Semiconductor)
中间以绝缘层隔开的金属板和半导体衬底组成的，在金/半间加电压时即 可产生表面电场。
结构简单，影响因素多。（功函数、带电粒子，界面态等）
半导体物理金属半导体接触
能带弯曲
金属和半导体的费米能级在接触处会发生重合，这是金属半导体接触能带结构的一个重要特征。
费米能级
在金属半导体接触中，载流子可以从金属注入到半导体中，或者从半导体注入到金属中，这取决于两者的费米能级和功函数。
载流子注入
金属半导体接触的能带结构
隧道电流
01
在金属半导体接触中，隧道电流是一种重要的电流传输机制。当金属和半导体的费米能级相差较小时，电子可以通过隧道效应穿过势垒，形成隧道电流。
研究意义
金属半导体接触的性能直接影响着电子器件和集成电路的性能和可靠性，因此对其深入研究具有重要的实际应用价值。
通过研究金属半导体接触的物理机制和优化技术，可以推动半导体器件和集成电路的技术进步，为现代电子科技的发展提供有力支持。
02
金属半导体接触的基本理论
当金属与半导体接触时，由于金属和半导体的功函数不同，会导致能带弯曲。
金属半导体接触的化学稳定性
04
金属半导体接触的制备技术
在真空条件下，通过加热蒸发材料，使其沉积在半导体表面形成金属薄膜。
真空蒸发镀膜
利用高能粒子轰击金属靶材，使金属原子溅射出来并沉积在半导体表面。
溅射沉积
通过离子束将金属离子注入到半导体表面，形成金属薄膜。
离子束沉积
物理制备技术
利用电解原理，在电解质溶液中通过电流作用，使金属离子在半导体表面还原成金属并沉积。
热电子发射
02
当金属和半导体的费米能级相差较大时，电子可以通过热电子发射穿过势垒，形成热电子电流。
直接隧穿和间接隧穿
03
根据隧道效应的性质，金属半导体接触的电流传输可以分为直接隧穿和间接隧穿两种机制。Biblioteka 金属半导体接触的电流传输机制
金属和半导体的费米能级在接触处会发生重合，这是金属半导体接触能带结构的一个重要特征。
费米能级
在金属半导体接触中，载流子可以从金属注入到半导体中，或者从半导体注入到金属中，这取决于两者的费米能级和功函数。
载流子注入
金属半导体接触的能带结构
隧道电流
01
在金属半导体接触中，隧道电流是一种重要的电流传输机制。当金属和半导体的费米能级相差较小时，电子可以通过隧道效应穿过势垒，形成隧道电流。
研究意义
金属半导体接触的性能直接影响着电子器件和集成电路的性能和可靠性，因此对其深入研究具有重要的实际应用价值。
通过研究金属半导体接触的物理机制和优化技术，可以推动半导体器件和集成电路的技术进步，为现代电子科技的发展提供有力支持。
02
金属半导体接触的基本理论
当金属与半导体接触时，由于金属和半导体的功函数不同，会导致能带弯曲。
金属半导体接触的化学稳定性
04
金属半导体接触的制备技术
在真空条件下，通过加热蒸发材料，使其沉积在半导体表面形成金属薄膜。
真空蒸发镀膜
利用高能粒子轰击金属靶材，使金属原子溅射出来并沉积在半导体表面。
溅射沉积
通过离子束将金属离子注入到半导体表面，形成金属薄膜。
离子束沉积
物理制备技术
利用电解原理，在电解质溶液中通过电流作用，使金属离子在半导体表面还原成金属并沉积。
热电子发射
02
当金属和半导体的费米能级相差较大时，电子可以通过热电子发射穿过势垒，形成热电子电流。
直接隧穿和间接隧穿
03
根据隧道效应的性质，金属半导体接触的电流传输可以分为直接隧穿和间接隧穿两种机制。Biblioteka 金属半导体接触的电流传输机制
金属—半导体结
d (VR + ψ 0 ) ∆VR 2 Nd = = 2 2 qkε 0 A d 1 C qkε 0 A 2 ∆ 1 C 2 2
(
)
(
)
时：
在图4 中电容是按单位面积表示的， 在图4-3中电容是按单位面积表示的，因此 A = 1 。我们求得 VR = 1V 1 C 2 = 6 ×1015，VR = 2V 时， C 2 = 10.6 ×1015 ，因此 1
2kε 0 (ψ 0 + VR ) W = qN d 结电容：
1 2
（4-5）
kε A qkε 0 N d C= 0 = A W 2(ψ 0 + VR )
2
1
（4-6）
或
1 2 (VR + ψ 0 ) = C 2 qkε 0 N d A 2
（4-7）
4.1肖特基势垒 4.1肖特基势垒
2kε 0 (ψ 0 + VR ) W = qN d
1
2
（4-5）
为半导体的掺杂浓度， 为反向偏压。 式中 N 为半导体的掺杂浓度， VR 为反向偏压。 d
4.1肖特基势垒 4.1肖特基势垒
小结
肖特基势垒结电容
kε A qkε 0 N d C= 0 = A W 2(ψ 0 + VR )
教学要求
掌握公式
1 2 (VR + ψ 0 ) = 2 2 C qkε 0 N d A
不变？ 为什么偏压情况下 qφ b 不变？
（4-7）
画出加偏压的的肖特基势垒能带图， 画出加偏压的的肖特基势垒能带图，根据能带图解释肖特基势垒二极管的整流特性
的关系曲线求出自建电势和半导体的掺杂情况。 由 1 C 2与 VR 的关系曲线求出自建电势和半导体的掺杂情况。 作业： 作业：4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、
半导体表面与MIS结构
随VS指数增长的电子浓度完全屏蔽了其后继续增长的外电场
表面耗尽层的厚度将达到一个最大值，不再随外电场增长而加宽
表面出现的高电导层，形成了所谓“反型沟道” (MOS晶体管工作依据)
总结：
平衡态：
堆积 平带状态 耗尽 本征状态 反型
（临界） （临界）
（VG 不变或速率慢）
Vs<0
Vs>VB>0
Vs=0
Qs Vs
Vs向负值方向增大，Qs急剧增加
Es＝0，Qs＝0， C（平带电容）
Es，Qs正比于(Vs)1/2
p型硅中，|QS| 与表面势Vs的关系 室温下， NA 41015 cm3
弱反和强反变化不同
表面电场，表面电荷和表面层电容都随VS指数增长 （强反型状态（VS≥2VB） ）
反型层中电子浓度增加
半导体空间电荷层产生电场
VG＝0
平带情形
绝缘层中薄层电荷的影响
8.4 硅－二氧化硅系统的性质（了解）
BST铁电薄膜热释电单元红外探测器
BST铁电薄膜热释电单元 红外探测器结构示意图
Si
Si
Si
SiO2
（1）清洗硅片 （2）硅片热氧化
（3）刻蚀正面SiO2
Si （4）扩硼
P+-SiO2 SiO2
SiO2
清洁表面 ：一个没有杂质吸附和氧化层的实际表面
“表实际面表”面并真不实是表一面：个由几于何环面境的，影而响是，指实际大接块触晶的表体面的往三往 维周期结构生与成真氧空化物之或间其的他过化合渡物区，，还它可能包有括物了理吸所附有层不，
甚至还有与表面接触过的多种物体留下的痕迹。
具有体内三维周期性的原子层。
硅－二氧化硅系统中的电荷和态
表面耗尽层的厚度将达到一个最大值，不再随外电场增长而加宽
表面出现的高电导层，形成了所谓“反型沟道” (MOS晶体管工作依据)
总结：
平衡态：
堆积 平带状态 耗尽 本征状态 反型
（临界） （临界）
（VG 不变或速率慢）
Vs<0
Vs>VB>0
Vs=0
Qs Vs
Vs向负值方向增大，Qs急剧增加
Es＝0，Qs＝0， C（平带电容）
Es，Qs正比于(Vs)1/2
p型硅中，|QS| 与表面势Vs的关系 室温下， NA 41015 cm3
弱反和强反变化不同
表面电场，表面电荷和表面层电容都随VS指数增长 （强反型状态（VS≥2VB） ）
反型层中电子浓度增加
半导体空间电荷层产生电场
VG＝0
平带情形
绝缘层中薄层电荷的影响
8.4 硅－二氧化硅系统的性质（了解）
BST铁电薄膜热释电单元红外探测器
BST铁电薄膜热释电单元 红外探测器结构示意图
Si
Si
Si
SiO2
（1）清洗硅片 （2）硅片热氧化
（3）刻蚀正面SiO2
Si （4）扩硼
P+-SiO2 SiO2
SiO2
清洁表面 ：一个没有杂质吸附和氧化层的实际表面
“表实际面表”面并真不实是表一面：个由几于何环面境的，影而响是，指实际大接块触晶的表体面的往三往 维周期结构生与成真氧空化物之或间其的他过化合渡物区，，还它可能包有括物了理吸所附有层不，
甚至还有与表面接触过的多种物体留下的痕迹。
具有体内三维周期性的原子层。
硅－二氧化硅系统中的电荷和态
半导体物理理想MIS结构及其表面电场效应
Cmin Cmin′
D
高频
G
H
Umin
0
+U
2）平带状态
• 当UG＝0，则VS＝0，表面能带不发生弯曲，称 作平带状态。在平带状态，耗尽近似不再成立， 但CSFB≠0,半导体表面仍有一定深度的电荷分布， 因而MIS系统的平带电容CFB既不等于绝缘层的 电容，也不等于零。
• 作为一种微分电容，CSFB需要从表面电荷QS在 UG趋于零时随电压变化的规律来确定。
WM
qVMS WS-qVMS
EF EV
Al SiO2 p-Si (a) UG=0
为了恢复平带状态，必须在铝与硅间加一定的负电压， 抵消由功函数差引起的电场和能带弯曲。这个为恢复平 带状态而加的电压叫做平带电压，以UFB表示
U FB
U ms
Wm
Ws q
E0
WM
EC
WS
EFM
qVFB EFS
EV Al SiO2 p-Si
)1/
2
叫德拜长度
于是，电荷密度分布
(x)
q(
p
p0
)
q 2 P0 kT
VS
exp(
x LD
)
这说明德拜长度表示屏蔽电荷分布的范围。
平带状态下，半导体表面的电容
CSFB
dQ dVS
0
d(x) dx q2 p0 ex/ LD dx rs0
dVS
kT 0
LD
相应的MIS结构的归一化平带电容
在绝缘层两边的金属和半导体表面，MIS结
构的总电容也就等于绝缘层的电容Ci。
QG
C 1
Ci
QG
MIS电容不随电压UG变化。但是，随着反向电压UG减小，累
《半导体物理学》【ch08】半导体表面与MIS 结构 教学课件
半导体表面与MIS 结构
导入
为了解决这一问题，人们对半导体表面，特别是硅一二氧化硅系统进行了广泛的研究工作。这方 面的研究成果使集成电路克服了性能不稳定的障碍，得到进一步的迅速发展，同时也发展了有关 半导体表面的理论。这些事实证明了实践推动理论的发展、理论又反过来指导实践这一辩证关系。 在半导体表面的研究工作中，有理想表面研究和实际表面研究两个方面。本章的讨论将侧重于实 际表面研究方面，包括表面态概念、表面电场效应、硅—二氧化硅系统性质、MISC指金属—绝 缘层一半导体）结构的电容一电压特性、表面电场对pn 结特性影响及其他有关表面效应等。
表面态
上述结论可推广到三维情形，可以证明在三维晶体中，仍是每个表面原子对应禁带中的一个表面能 级，这些表面能级组成表面能带。因单位面积上的原子数约为10 ¹5 cm-² ，故单位表面积上的表面 态数也具有相同的数量级。表面态的概念还可以从化学键方面来说明。以硅晶体为例，因晶格的表 面处突然终止，在表面的最外层的每个硅原子都将有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键，这 个键称作悬挂键，与之对应的电子能态就是表面态。因每平方厘米表面约有10 ¹5个原子，故相应的 悬挂键数亦应为约10 ¹5个。表面态的存在是肖克莱等首先从实验上发现的，后来有人在超高真空中 对洁净硅表面进行测量’，证实表面态密度与上述理论结果相符。
表面电场效应
01 空间电荷层及表面势
可归钠为堆积、耗尽和反型三种情况，以下分别加以说明：
2 多数载流子耗尽状态
当金属与半导体间加正电压（指金属接 正）时， 表面势vs为正值，表面处能带 向下弯曲。这时越接近表面，费米能级 离价带顶越远，价带中的空穴浓度越低。 在靠近表面的一定区域内，价带顶位置 比费米能级低得多，根据玻耳兹曼分布， 表面处空穴浓度将较体内空穴浓度低得 多，表面层的负电荷基本上等于电离受 主杂质浓度。表面层的这种状态称作耗 尽。
《金属半导体接触》课件
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
添加标题
添加标题
添加标题
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
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。
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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。
•
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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。
金属半导体接触
金属半导体接触材料和制备工艺的创新将是未来研究的重点以实现更加高 效、可靠和低成本的应用。
对实际应用的推动作用
金属半导体接触 在电子器件中的 应用
提高电子设备的 性能和稳定性
在太阳能电池和 LED领域的应用
推动新能源和可 再生能源技术的 发展
THNK YOU
汇报人：
金属半导体接触的能带结构 与界面态
金属半导体接触的可靠性问 题与界面稳定性
金属半导体接触在新型电子 器件中的应用与挑战
未来发展的趋势和挑战
金属半导体接触技术将不断进步提高电子器件的性能和稳定性。
随着人工智能和物联网等技术的快速发展金属半导体接触将面临更高的集 成度和可靠性的挑战。
环保和可持续发展成为未来发展的重要趋势金属半导体接触技术需要更加 注重环保和节能。
金属半导体接触的物理机制
能带理论
金属和半导体的能带结构不同
接触时发生电子转移
形成肖金属和半导体的能带结构
金属的能带结构：金属的价带和导带之间存在较小的间隙使得金属容易导 电。
半导体的能带结构：半导体的价带和导带之间存在较小的间隙使得半导体 具有导电性。
能带结构的差异：金属和半导体的能带结构存在差异导致它们在接触时会 产生不同的物理机制。
金属半导体接触的整流特性
金属半导体接触的整流特性是指金属和半导体之 间形成的接触具有整流作用即只允许电流在一个 方向上流动。
整流特性是由于金属和半导体的功函数差异引起 的这种差异导致在接触处形成空间电荷区从而限 制电流的流动方向。
金属半导体接触的整流特性对于电子器件 的设计和制造具有重要意义例如在制造二 极管和晶体管等电子器件时需要利用这种 特性。
金属半导体接触的特性
金属半导体接触是指金属和半导体 之间的接触这种接触可以形成整流 特性。
对实际应用的推动作用
金属半导体接触 在电子器件中的 应用
提高电子设备的 性能和稳定性
在太阳能电池和 LED领域的应用
推动新能源和可 再生能源技术的 发展
THNK YOU
汇报人：
金属半导体接触的能带结构 与界面态
金属半导体接触的可靠性问 题与界面稳定性
金属半导体接触在新型电子 器件中的应用与挑战
未来发展的趋势和挑战
金属半导体接触技术将不断进步提高电子器件的性能和稳定性。
随着人工智能和物联网等技术的快速发展金属半导体接触将面临更高的集 成度和可靠性的挑战。
环保和可持续发展成为未来发展的重要趋势金属半导体接触技术需要更加 注重环保和节能。
金属半导体接触的物理机制
能带理论
金属和半导体的能带结构不同
接触时发生电子转移
形成肖金属和半导体的能带结构
金属的能带结构：金属的价带和导带之间存在较小的间隙使得金属容易导 电。
半导体的能带结构：半导体的价带和导带之间存在较小的间隙使得半导体 具有导电性。
能带结构的差异：金属和半导体的能带结构存在差异导致它们在接触时会 产生不同的物理机制。
金属半导体接触的整流特性
金属半导体接触的整流特性是指金属和半导体之 间形成的接触具有整流作用即只允许电流在一个 方向上流动。
整流特性是由于金属和半导体的功函数差异引起 的这种差异导致在接触处形成空间电荷区从而限 制电流的流动方向。
金属半导体接触的整流特性对于电子器件 的设计和制造具有重要意义例如在制造二 极管和晶体管等电子器件时需要利用这种 特性。
金属半导体接触的特性
金属半导体接触是指金属和半导体 之间的接触这种接触可以形成整流 特性。
半导体表面和MIS主要的结构
为什么SiO2层中容易玷污这些正离子而 且易于在其中迁移呢？
二氧化硅结构的基本单元是一个由硅氧 原子组成的四面体，Na离子存在于四面 体之间，使二氧化硅呈现多孔性，从而 导致Na离子易于在二氧化硅中迁移或扩 散。
由于Na的扩散系数远远大于其它杂质。 根据爱因斯坦关系，扩散系数跟迁移率 成正比，故Na离子在二氧化硅中的迁移 率也特别大。
C
1
CO
1
rod
rsd O
8.3.4 实际MIS结构的C-V特性
(1) 功函数差异的影响 平带电压
——为了恢复半导体表面平带状态需要 加的电压. 考虑功函数差异的影响:
VFB= - Vms
(2)绝缘层中电荷的影响 当绝缘层处有一薄层电荷,其面电荷密度为
Q(x)x
xQ Q x
VFB
rs0
8.3.1 MIS结构的微分电容
栅压——VG= VO+ VS 当不考虑表面态电荷,半导体的总电荷 面
密度 —— QS = - QG MIS结构的微分电容——C dQG/dVG
1dVG dVO dVS C dQG dQG dQG
定义 氧化层电容——
CO
dQG dVO
ro0
do
空间电荷区电容——
表面势：空间电荷层两端的电势差为表 面势，以Vs表示之，规定表面电势比内 部高时，Vs取正值；反之Vs取负值。
三种情况：多子堆积、多子耗尽和少子 反型。
表面空间电荷层的电场、电势和 电容
规定x轴垂直于表面指向半导体内部，表 面处为x轴原点。
采用一维近似处理方法。空间电荷层中 电势满足泊松方程
令
LD
(
q2 pp0
1
)2
2rs0k0T
二氧化硅结构的基本单元是一个由硅氧 原子组成的四面体，Na离子存在于四面 体之间，使二氧化硅呈现多孔性，从而 导致Na离子易于在二氧化硅中迁移或扩 散。
由于Na的扩散系数远远大于其它杂质。 根据爱因斯坦关系，扩散系数跟迁移率 成正比，故Na离子在二氧化硅中的迁移 率也特别大。
C
1
CO
1
rod
rsd O
8.3.4 实际MIS结构的C-V特性
(1) 功函数差异的影响 平带电压
——为了恢复半导体表面平带状态需要 加的电压. 考虑功函数差异的影响:
VFB= - Vms
(2)绝缘层中电荷的影响 当绝缘层处有一薄层电荷,其面电荷密度为
Q(x)x
xQ Q x
VFB
rs0
8.3.1 MIS结构的微分电容
栅压——VG= VO+ VS 当不考虑表面态电荷,半导体的总电荷 面
密度 —— QS = - QG MIS结构的微分电容——C dQG/dVG
1dVG dVO dVS C dQG dQG dQG
定义 氧化层电容——
CO
dQG dVO
ro0
do
空间电荷区电容——
表面势：空间电荷层两端的电势差为表 面势，以Vs表示之，规定表面电势比内 部高时，Vs取正值；反之Vs取负值。
三种情况：多子堆积、多子耗尽和少子 反型。
表面空间电荷层的电场、电势和 电容
规定x轴垂直于表面指向半导体内部，表 面处为x轴原点。
采用一维近似处理方法。空间电荷层中 电势满足泊松方程
令
LD
(
q2 pp0
1
)2
2rs0k0T
金属半导体接触PPT幻灯片课件
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。
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
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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。