第13讲 金属-半导体接触和MIS结构

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。
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• 肖特基二极管（SBD）
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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，限制高频和高速器件应用。
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• 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
源
栅极
漏
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（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。
势垒电容
• 在积累空间电荷的势垒区，当PN结外加电 压变化时，引起积累在势垒区的空间电荷的变 化，即耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减 少，这种现象与电容器的充、放电过程相同。 耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容。 势垒电容具有非线性，它与结面积、耗尽层 宽度、半导体的介电常数及外加电压有关。
• • 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。
CMOS
• CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor） • 互补金属氧化物半导体，电压控制的一 种放大器件。 • 是组成CMOS数字集成电路的基本单元。
• 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。
（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。
• 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。
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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。
势垒
• • （Potential Energy Barrier） 就是势能比附近的势能都高的空间区域， 基本上就是极值点附近的一小片区域。
肖特基势垒
• 金属-半导体边界上形成的具有整流作用的区域 • • 形成过程如下：
金属-半导体作为一个整体在热平衡时有同样费米能 级.由半导体到金属,电子需要克服势垒;而由金属向半导 体,电子受势垒阻挡.在加正向偏置时半导体一侧的势垒 下降;相反,在加反向偏置时,半导体一侧势垒增高.使得金 属-半导体接触具有整流作用 • (但不是一切金属-半导体接触均如此.如果对于P型 半导体,金属的功函数大于半导体的功函数,对于N型半 导体,金属的功函数小于半导体的功函数,以及半导体杂 质浓度不小于10^19/立方厘米数量级时会出现欧姆接触, 它会因杂质浓度高而发生隧道效应,以致势垒不起整流 作用). • 当半导体均匀掺杂时肖特基势垒的空间电荷层宽度 和单边突变P-N结的耗尽层宽度相一致利用金属半导体 接触制作的检波器很早就应用于电工和无线电技术之中， 如何解释金属半导体接触时表现出的整流特性，在20世 纪30年代吸引了不少物理学家的注意。德国的W.H.肖 脱基、英国的N.F.莫脱、苏联的Б.И.达维多夫发展了基 本上类似的理论，其核心就是在界面处半导体一侧存在 有势垒，后人称为肖脱基势垒。
第七章 金属-半导体接触和MIS结构
学习目标：
1、理解功函数的概念。 2、掌握典型金属与半导体接触的机理及 应用。 3、理解金属—绝缘层—半导体（MIS） 结构及应有。
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。 金属-绝缘层-半导体结构（MIS）：金属 和半导体中插入绝缘层。是集成电路CMOS核 心单元。
金属 绝缘层 半导体
• 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间的沟道 正对的称为栅极。
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在计算机领域，CMOS常指保存计算机基本启动信息 （如日期、时间、启动设置等）的芯片。有时人们会把 CMOS和BIOS混称，其实CMOS是主板上的一块可读写的 RAM芯片，是用来保存BIOS的硬件配置和用户对某些参数 的设定。 在今日，CMOS制造工艺也被应用于制作数码影像器材 的感光元件，尤其是片幅规格较大的单反数码相机。 另外，CMOS同时可指互补式金氧半元件及制程。 因此时至今日，虽然因为工艺原因，都叫做CMOS，但 是CMOS在三个应用领域，呈现出迥然不同的外观特征： 一是用于计算机信息保存，CMOS作为可擦写芯片使用， 在这个领域，用户通常不会关心CMOS的硬件问题，而只关 心写在CMOS上的信息，也就是BIOS的设置问题，其中提 到最多的就是系统故障时拿掉主板上的电池，进行CMOS放 电操作，从而还原BIOS设置。 二是在数字影像领域，CMOS作为一种低成本的感光元 件技术被发展出来，市面上常见的数码产品，其感光元件主 要就是CCD或者CMOS，尤其是低端摄像头产品，而通常高 端摄像头都是CCD感光元件。 三是在更加专业的集成电路设计与制造领域。