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。
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
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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。