第四讲 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。
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
【半导体培训资料】金属半导体接触
功函数：把一个电子从费米能级移到真空能级所需做的功 亲和势：把一个电子从导带底移到真空能级所需做的功
m s
由于功函数的不同，半导体中的电子就会渡越到金属，使两者的费米能 级拉平。 当把N型半导体与一个比它功函数大的金属紧密接触时，此时，金属的费米 能级小于半导体的费米能级，半导体中的电子能量较大，一部分电子很容易的进 入金属。使得金属因多余电子而带负电，半导体因缺少电子而带正电。金属中的 负电荷是以电子的形式存在的，其密度很高，在N型半导体正电荷的吸引下，这 些多余的电子就集中在界面处的金属薄层中。半导体中的正电荷是以施主离子的 形式出现的，分布在一定厚度的区域中，形成空间电荷区。
说明在大电场下，肖特基势垒被镜像力降低了很多。
镜像力使肖特基势垒高度降低的前提是金属表面的半导体导带
要有电子存在。因此，在测量势垒高度时，如果所用方法与电
子在金属和半导体间的输运有关则所测得的结果是
；
如果测量方法只与耗尽层的空间电荷有关而不涉及电子的输运
（如电容方法），则测量结果不受镜像力的影响。
rd
rs=
1+ ωc2
Cd2rd2
ωc是截止频率, 因为rd>>rs,所以 有
1
ωc2=
Cd2rdrs
对于高频运用,cd、rd、rs都 应该很小。如果半导体具有高杂质 浓度和高迁移率。那么是能够实现 小rs的,通过采用GaAs材料,工作频 率可达到100GHz。
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
1.8
2.0 2.2
2.4
dV/dT(mV/℃)
正向偏压时温度系数与电流密度的关系
4.8肖特基势垒二极管的应用
m s
由于功函数的不同，半导体中的电子就会渡越到金属，使两者的费米能 级拉平。 当把N型半导体与一个比它功函数大的金属紧密接触时，此时，金属的费米 能级小于半导体的费米能级，半导体中的电子能量较大，一部分电子很容易的进 入金属。使得金属因多余电子而带负电，半导体因缺少电子而带正电。金属中的 负电荷是以电子的形式存在的，其密度很高，在N型半导体正电荷的吸引下，这 些多余的电子就集中在界面处的金属薄层中。半导体中的正电荷是以施主离子的 形式出现的，分布在一定厚度的区域中，形成空间电荷区。
说明在大电场下，肖特基势垒被镜像力降低了很多。
镜像力使肖特基势垒高度降低的前提是金属表面的半导体导带
要有电子存在。因此，在测量势垒高度时，如果所用方法与电
子在金属和半导体间的输运有关则所测得的结果是
；
如果测量方法只与耗尽层的空间电荷有关而不涉及电子的输运
（如电容方法），则测量结果不受镜像力的影响。
rd
rs=
1+ ωc2
Cd2rd2
ωc是截止频率, 因为rd>>rs,所以 有
1
ωc2=
Cd2rdrs
对于高频运用,cd、rd、rs都 应该很小。如果半导体具有高杂质 浓度和高迁移率。那么是能够实现 小rs的,通过采用GaAs材料,工作频 率可达到100GHz。
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
1.8
2.0 2.2
2.4
dV/dT(mV/℃)
正向偏压时温度系数与电流密度的关系
4.8肖特基势垒二极管的应用
第4章_金属半导体结
J RT e J0 e
2 b VT
V VT
1
e
V VT
1
（4-5-15）
J RT e J0 e
其中
2 b VT
V VT
1
e
V VT
1
J 0 R * T 2 e b VT
R* 4m * qK 2 h 3
R*称为有效理查森常数，它是在电子向真空中发射时的 里查森常数中，用半导体电子的有效质量代替自由电子 质量而得到的。代入有关常数，最后得到
E0为真空中电子的能量， 又称为真空能级。
E0
qm
(EF)m 功函数大小标致电子在金属中被束缚的强弱
2、半导体的功函数
E0
E0不费米能级之差称为半导体 的功函数。
χ
qs
En
Ec
(EF)s
即：qs E0 ( EF ) s
用Χ表示从Ec到E0的能量间隔：
Ev
s E0 Ec
qs En
接触后电势差 以半导体体内中性区为零 电势点，半导体表面不体 内电势丌相同
0 m s
s 0 s m
qN DW =2
2
半导体一边的势垒高度为：
q0 qm qs
金属一边的势垒高度为：
qb q0 En qm qs En qm
由上图可以看出，载流子可以自由的通过仸 何一斱，这种MS结为非整流结。
应用：半导体器件中利用电极进行电流的输入和输出 就要求金属和半导体接触形成良好的欧姆接触。在超 高频和大功率的器件中，欧姆接触是设计和制造的关 键。
实现：丌考虑表面态的影响，金半接触形成反阻挡层， 就可以实现欧姆接触。实际中，由于有很高的表面态， 主要用隧道效应实现半导体制造的欧姆接触。
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）
半导体物理基础 4.1_MIS
≥0
n po ⎞ ∂ψ 2kT ⎛ ⎟ E=− F ⎜ βψ , =± ⎜ ⎟ qLD p ∂x po ⎠ ⎝
令ψ = ψS ,可确定表面处的电场： +： ψ > 0 - : ψ<0
n po ⎞ 2kT ⎛ ⎟ Es = ± F ⎜ βψ s , ⎜ ⎟ qLD p po ⎠ ⎝
产生该电场所需的单位面积空间电荷 ：
1. 1 理想 M I S 结构的能带图象:
V=0时的能带图 绝缘体电子亲合势 金属与绝缘体 之间的势垒
n 型半导体
(4)
p 型半导体
理想 M I S 二极管定义： 1）在零偏置下，金属功函数和半导体功函数之间的差为零。
n 型半导体： φ ms
≡ φm − (χ + ≡ φm − (χ +
Eg 2q Eg 2q
第四章 M I S 结构 和场效应晶体管
4-1 MIS 结构
金属-绝缘体-半导体结构
主要内容： 1。理想的MIS 结构 2。Si-SiO2 MOS 结构
(2)
金属-绝缘体-半导体(MIS)二极管结构 约定： 金属对欧姆接触正向偏置Æ电压V为正 金属对欧姆接触负向偏置Æ电压V为负
(3)
1。理想的MIS结构
∫
0
∂ψ ⎛ ∂ψ ⎞ q d⎜ ⎟=− ∂x ⎝ ∂x ⎠ εs
2
∫ [p
ψ
0
− βψ βψ ( e − 1 ) − n ( e − 1) d ψ po po
]
得到电场 E 与电势 ψ 的关系：
⎛ 2kT ⎞ Ε =⎜ ⎜ q ⎟ ⎟ ⎝ ⎠
2
⎛ qp po β ⎜ ⎜ 2ε s ⎝
⎤ n p o βψ ⎞ ⎡ − βψ ⎟ + βψ − 1) + (e − βψ − 1)⎥ ⎟ ⎢( e p po ⎥ ⎠⎢ ⎣ ⎦
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
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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
n型半导体的mis结构
N型半导体的MIS结构前言在现代电子技术领域中，半导体材料起着至关重要的作用。
半导体的类型可以分为P型和N型。
本文将详细探讨N型半导体的MIS（金属-绝缘体-半导体）结构。
MIS 结构是一种重要的器件结构，广泛应用于集成电路和其他电子学设备中。
什么是N型半导体的MIS结构N型半导体的MIS结构是由金属、绝缘体和N型半导体组成的电子器件结构。
这种结构是一种非常常见的晶体管结构，用于控制电流的流动。
MIS结构的核心是绝缘体层，它起到隔离金属电极和半导体材料的作用。
绝缘体可以是氧化物（如二氧化硅）或氮化物等。
绝缘体的选择很关键，它需要具有高绝缘性能和良好的界面特性，以确保器件的稳定性和性能。
MIS结构的工作原理MIS结构是一种电容器结构，其工作原理基于电场效应。
当外加电压施加在MIS结构上时，金属电极上的电子会被吸引或排斥，从而改变半导体中的电荷分布。
在静态状态下，绝缘体层的电荷会阻止电流的流动。
然而，当施加适当的电压时，电子可以通过绝缘体层流过，进入或离开半导体。
这种现象称为MIS结构的“导通”。
MIS结构的导通状态可以由金属电极与半导体之间的势垒压降来操控。
当电压施加到某个阈值以上时，势垒会被削弱，电子可以通过势垒进入半导体层。
这使得器件可以通过控制金属电极的电压来控制电流的流动。
MIS结构的应用MIS结构在现代电子学中有广泛的应用。
以下是一些典型的应用领域：1. 功率放大器MIS结构可以用于设计和制造功率放大器。
通过控制金属电极之间的电压，可以增加或减少通过放大器的电流，从而放大信号并提供所需的功率输出。
2. 放大器MIS结构可以用于制造高频放大器。
通过控制金属电极之间的电压，可以调节信号的放大倍数和频率响应。
3. 传感器MIS结构可以用于制造各种传感器，例如温度传感器和压力传感器。
当外界条件变化时，传感器的电流或电压输出会相应变化，从而实现对环境参数的测量和监测。
4. 电容器由于MIS结构具有电容特性，因此可以用于制造电容器。
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
第4章 金属-半导体结
4.3 镜像力对势垒高度的影响
一、镜像力降低肖特基势垒高度（肖特基效应）
F 4k 0 2 x q2
2
q2 16k 0 x 2
（4-8）
镜象力引起电子电势能
q2 E1 ( x) Fdx x 16k 0 x
（4-9）
边界条件
x , E1 0
x 0, E1
则这时的表面为电中性。
也就是说，当 E0以下的状态空着时，表面荷
正电，类似施主的作用；当 E0 以上的状态被占 据时，表面荷负电，类似受主的作用。若 E0与费 米能级对准，则净表面电荷为零。
4.2 界面态对势垒高度的影响
实际接触中，E0 EF ，界面态的净电荷为正， 类似施主。
这些正电荷和金属表面的负电荷所形成的电场
电荷有关而不涉及电子的输运（如电容方法），
则测量结果不受镜像力影响。
4.3 镜像力对势垒高度的影响
空穴也产生镜像力，它的作用是使半导体能带的价带
顶附近向上弯曲，图4-6，但它不象导带底那样有极值，
结果使接触处能带变窄。
EFM
图 4-6 镜像力对半导体能带的影响
4.3 镜像力对势垒高度的影响 小结
4.3 镜像力对势垒高度的影响
原来理想肖特基势垒近似看成线性 , 界面附近导带底势 能曲线
E2 ( x) qx
（4-10）
为表面附近电场，等于势垒区最大电场（包内建电场
和偏压电场）,总势能
q2 E ( x) E1 x E2 x qx 16k 0 x
2k 0 0 VR W qN d
1 2
4.1 肖特基势垒
7. 肖特基势垒结电容
金属半导体(MS)接触
qN d
ε Si
xd
从 x 到 xd 再次积分得： ψ ( x ) = −
§6.1 金属/半导体接触
6.1.5 M/S接触的电势分布和Poisson方程求解 金属和半导体接触在半导体表面形成的表面势为：
1 qN d 2 xd 2 ε Si 耗尽层厚度与表面势的 关系满足：
φi = φM − φS = ψ (0) =
§6.1 金属/半导体接触
6.1.2 M/S接触的形成 M/S结构通常是通过在干净的半导体表面淀积金属而 形成。利用金属硅化物（Silicide）技术可以优化和 减小接触电阻，有助于形成低电阻欧姆接触。
§6.1 金属/半导体接触
6.1.3 理想M/S接触的平衡能带图 1. 热平衡条件：形成统一的费米能级，即Ef = Const 在前面的讨论中，我们已经说明，任意半导体系统 在达到热平衡时，费米能级在空间范围内保持平直， 即Ef＝常数。相关的能带图特征，在非均匀掺杂的半 导体系统（PN结）中已有演示。这一法则在两种不同 类型的材料接触形成的系统中仍然适用。 考虑两种材料：金属（M）与半导体（S）形成接触 ，设其各自费米能级分别为Ef1和Ef2。金属的功函数为
q (φ −V A)
i
B
qV
A
A
正偏
反偏
外加偏置影响半导体的表面势及空间电荷区厚度，但不影响势垒高度。
§6.3 肖特基二极管的偏置及其IV特性
6.3.1 肖特基二极管的偏置
1938年，W. Schottky提出了基于整流二极管的理论，称为肖特 基二极管理论。这一理论以金属和半导体功函数差为基础，考虑 表面态的影响因素，用 φ B 代替 φ MS 来表示势垒
d 2ψ dξ q q [(n − p ) − (N d − N a )] ≈ − N d =− = 2 ε Si dx dx ε Si
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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。
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
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
电子由金属流向P型半导体
对于n型半导体，正好和p型半导体相反，当Wm > Wn的时候，n型半导体一侧形成电子阻挡区 反之，当Wm < Wn的时候， n型半导体一侧形成电子反阻挡区
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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
Wm<Ws
M-S
反阻挡层
阻挡层
14
欧姆接触
非整流接触，或者能引起需要的载流子顺利通过界面 的整流接触。 不产生明显的附加阻抗，而且不会使得半导体内部的 平衡载流子浓度发生显著改变 电学意义：理想欧姆接触的接触电阻与半导体样品或 器件相比应当很小，电流通过时，欧姆接触的压降远 小于样品和器件本身的压降
E
R
PN结处于导通状态, 表现为一个很小的电阻
（二）、PN结加反向电压
将电源的正极接Ｎ区, 负极接Ｐ区——PN结加 反向电压或反向偏置(简称反偏) 耗尽区 PN结处于截止状态, 呈现出一个很大的电阻 (高达几百千欧以上)。
漂移电流大于扩散电 内电场 － ＋ 流，可忽略扩散电流 外电场 U 在一定的温度条件下， UB＋U 由本征激发决定的少 E R 子浓度是一定的 故少子形成 的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向 电压的大小无关，这个电流也称为 反向饱和电流IS。
12Βιβλιοθήκη P型半导体Wm > W p P型半导体一侧形成空穴高电 导区域，形成反阻挡层 Wm < Wp Fp>Fm 内建电场方向由P型半导体 指向金属 Fp<Fm P型半导体电子费米能级相对 较高 电子由P型半导体流向 金属
金属电子费米能级相对较高
P型半导体一侧形成空穴势 垒区，形成阻挡层
内建电场方向由金属指向P 型半导体
17
P N P
耗尽层 势垒区
空间电荷区 N
(a )
内电场 UB (b )
扩散运动：空间电荷区展宽 漂移运动：空间电荷区变窄
电 位 U 电 子 势 能
多子的扩散和少子漂移运动 达到动态平衡。 P区和N区的掺杂浓度相同对称结
qUB
不对称PN结
耗尽区 耗尽区
P＋
N
P
N＋
(a)
(b )
如果P区和N区一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂 浓度小(轻掺杂)，则称为不对称结，用P+N或PN+表 示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂 区一边.
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。
综上所述：PN结加正向电压时，呈现低 电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反 向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂 移电流。 即PN结具有单向导电特性。
关键在于耗尽层的存在
金属半导体接触和MIS结构
金属半导体接触（MS结构） 欧姆接触 MIS结构
10
金属半导体接触
功函数：真空中静止电子的能量与费米能的差值， 代表着电子从体内跃迁到体外需要的能量。
前课复习
何谓半导体 半导体材料的分类 半导体材料的性质 半导体（光伏）材料的物理基础
载流子的产生（能带，载流子） 能带理论 能级理论 非平衡载流子 载流子的分离（pn结）
P型半导体和N型半导体相结合——PN结 PN 结是构造半导体器件的基本单元。其 中，最简单的晶体二极管就是由 PN 结构 成的。