半导体器件物理 Chapter3 pn结及金属半导体接触
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金半接触ppt课件
Ws
存在高表面态 密度时n型半 qns 导体的能带图
q0
En Ec EF
20 EV
高表面态密度时，势垒高度
qVD Eg En q0
势垒高度称为被高表面态密度钉扎 无表面态，半导体的功函数
Ws En E0 (EF )s
21
有表面态，即使不与金属接触，表面也形成势垒， 半导体的功函数（形成电子势垒时）
x
fdx q2
16 0
0
1 x2
dx
q2
16
0
x
半导体和金属接触时，在耗尽层中，选(EF)m 为势能零点，由于镜像力的作用，电子的势能
q2 qV (x)
16 r 0 x
q2
16 r 0 x
qns
q2ND
r 0
xxd
1 2
x2 47
qΔΦ
无镜象力
qΦns
有镜象力
(EF)m 0 xm
51
不考虑镜像力的影响时
J sD
2qND
r0
VD
1/ 2
V
exp
qVD kT
考虑镜像力的影响时
JsD中的 exp qVD / kT 变为
厚度依赖于外加电压的势垒，叫肖特基势垒。
36
考虑漂移和扩散，流过势垒的电流密度
J
JsD exp
qV kT
1
JsD
q2Dn Nc kT
2qND
r0
Vs
0
V
1/
2
exp
qns
kT
2qND
r0
VD
V
1/
2
exp
qVD kT
qn0n0
《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PPT演示课件
Wm
E Fm
金属
Ws
En
E0
EEFsc
Ev
n半导体
9
金属半导体接触前后能带图的变化：
Wm EFm
E0
Ws
Ec EFs
接触前
Ev
接触前，半导体的费米能 级高于金属（相对于真空 能级），所以半导体导带 的电子有向金属流动的可 能
E0
接触后
qm
EF
qVD Ec EF
xd
Ev
接触后，金属和半导体的费 米能级应该在同一水平，半 导体的导带电子必然要流向 金属，而达到统一的费1米0 能
在没有加电压的情况下，金半接触的系统处于平 衡态的阻挡层是没有净电流：
净电流J J J 0 s m m s
从金属流向半导体的电流和半导体流向金属的电 流相抵消。
所以，在没有外加电压时，半导体进入金属的电
子流和从金属进入半导体的电子流相等，方向相
反，构成动态平衡。
31
在紧密接触的金半之间加上电压时，电流的行为 会发生不同的响应。势垒高度为：
电场
E
qVD Ec EF
Ev
在势垒区，空间电荷主要由电离施主形成，电子 浓度比体内小得多，是一个高阻区域，称为阻挡 层。界面处的势垒通常称为肖特基势垒。 13
（2）金属－p型半导体接触的阻挡层
金属与P型半导体接触时，若Wm<Ws，即金属 的费米能级比半导体的费米能级高，半导体的 多子空穴流向金属，使得金属表面带正电，半 导体表面带负电，半导体表面能带向下弯曲， 形成空穴的表面势垒。
Why?
22
实验表明，金半接触时的势垒高度受金属功函数 的影响很小。这是由于半导体表面存在表面态造 成的。
金属半导体接触
少子存储效应的限制。 • 所以,肖特基二极管对于高频和快速开关应用是理想的。
• (少子存储效应即电荷存储, pn结是少子器件，外加正向 偏压（p正n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)
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。
空间电荷区的能带会发生弯曲，形成势垒。当势垒高度增加到N区半导体中 能够越过势垒而进入金属的电子和从金属越过势垒进入N型半导体的电子数 一样多时，就达到平衡，平衡时，金属与半导体的费米能级也应该拉平。 整个势垒主要位于半导体表面而在金属的区域极薄，这种势垒称为金属与半 导体接触的表面势垒，也就是肖特基势垒。势垒中的电场从N型半导体指向 金属。
对于均匀掺杂的半导体，肖特基势垒的空间电荷区宽度为： 结电容为：
二 界面态对势垒高度的影响
在半导体表面处的禁带中存在着表面态，对应的能级称为表面 能级。 表面态通常按照能量连续分布，并且可以用一中性能级E0表征。 表面态一般分为施主型和受主型。若能级被电子占据时呈现电 中性（这时被占据的界面态高达E0，且E0以上的状态空着），释 放电子后呈现正电性，称为施主型表面态；若能级空着时为电 中性，接受了电子后带负电，称为受主型表面态。
2 加偏压的肖特基势垒
q0
金属
未加偏压
半导体
正向偏压
q0 q(0 V )
反向偏压
q0 q(0 VR )
整流效应
如果在紧密接触的金属和半导体之间施加电压，由于表面势垒 的作用，加正反向电压时所产生的电流大小不同，即有整流效 应。当在金属一边施加正电压半导体施加负电压时，N型半导 体的势垒高度降低，从N型半导体流向金属的电子流大大增加， 成为金属－半导体整流接触的正向电流。反之，势垒高度增加， 半导体流向金属的电子流减小到接近零；而从金属流向半导体 的电子流还是同以前一样，从而出现了金属流向半导体的小的 电子流，这就是金属半导体接触的反向电流。整流接触常用合 金、扩散、外延或离子注入法获得。
• (少子存储效应即电荷存储, pn结是少子器件，外加正向 偏压（p正n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)
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。
空间电荷区的能带会发生弯曲，形成势垒。当势垒高度增加到N区半导体中 能够越过势垒而进入金属的电子和从金属越过势垒进入N型半导体的电子数 一样多时，就达到平衡，平衡时，金属与半导体的费米能级也应该拉平。 整个势垒主要位于半导体表面而在金属的区域极薄，这种势垒称为金属与半 导体接触的表面势垒，也就是肖特基势垒。势垒中的电场从N型半导体指向 金属。
对于均匀掺杂的半导体，肖特基势垒的空间电荷区宽度为： 结电容为：
二 界面态对势垒高度的影响
在半导体表面处的禁带中存在着表面态，对应的能级称为表面 能级。 表面态通常按照能量连续分布，并且可以用一中性能级E0表征。 表面态一般分为施主型和受主型。若能级被电子占据时呈现电 中性（这时被占据的界面态高达E0，且E0以上的状态空着），释 放电子后呈现正电性，称为施主型表面态；若能级空着时为电 中性，接受了电子后带负电，称为受主型表面态。
2 加偏压的肖特基势垒
q0
金属
未加偏压
半导体
正向偏压
q0 q(0 V )
反向偏压
q0 q(0 VR )
整流效应
如果在紧密接触的金属和半导体之间施加电压，由于表面势垒 的作用，加正反向电压时所产生的电流大小不同，即有整流效 应。当在金属一边施加正电压半导体施加负电压时，N型半导 体的势垒高度降低，从N型半导体流向金属的电子流大大增加， 成为金属－半导体整流接触的正向电流。反之，势垒高度增加， 半导体流向金属的电子流减小到接近零；而从金属流向半导体 的电子流还是同以前一样，从而出现了金属流向半导体的小的 电子流，这就是金属半导体接触的反向电流。整流接触常用合 金、扩散、外延或离子注入法获得。
半导体器件物理之半导体接触
如果绝缘体用氧化物，即MOS结构, 可
Ef
EC
视为一个金属-氧化物界面和一个氧化 物-半导体界面的结合,ULSL中最重要
Ef 的MOSFET器件的基本结构。
EV
4
2.1 p - n 结二级管
主要内容
基本器件工艺介绍 耗尽区和耗尽电容 I-V特性 结的击穿 瞬变特性 端功能
6
1。基本器件工艺
W 2s(V bq i 2 B N kT /q)LD 2(V b i 2)
q/kT
半导体的特征长度，德拜长度
LD
skT
q2NB
s qNB
27
28
Si的德拜长度与掺杂浓度的关系
Si单边突变结耗尽层宽度和单位面积耗尽层电容与掺杂浓 度的关系。
29
耗尽层电容：
单位面积的耗尽层电容定义为： CdQ/dV
半导体器件物理之半导体接触
1
主要内容
pn结 异质结 金属-半导体接触 半导体-氧化物接触, MIS
2
半导体器件的四种基础结构
金属-半导体界面，
Ef
EC Ef
EV
在金属和半导体之间形成的一种紧密 接触。是第一个被研究的半导体器件。 可作为整流接触-肖特基势垒，或用 作欧姆接触。也可以得到其他许多器 件，如MESFET。
单边突变结，单位面积电容：
1/C2~V 直线，
CdQ/dV
d[
q(d(NB q/N 2BW s))W2]W s
斜率：衬底杂质浓度， 1/C2=0时截距：内建势。
qs2NB(VbiV2kT/q)1/2
s (
2LD
Vbi
V2)1/2F/cm2
反向和正 向偏置
1/C2 2LsD 22 (Vb iV2) d(1d/C V2)2LD s22qs2NB
【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
金属和半导体的接触
子或离子。它是局域在表面附近旳新电子态。
表面态能级
：
大多数半导体旳
在Ev以上Eg/3旳地方。
2.表面态旳类型
1）施主型：
电子占满时呈中性，失去电子带正电。
下列旳表面态空着，表面带正电。
2）受主型：
能级空时为电中性，接受电子带负电。
以上旳表面态被电子填充，表面带负电。
3.表面态对接触势垒旳影响
且
趋于饱和。
• 阻挡层具有单向导电性——整流特征。
P型半导体
n型和p型阻挡层旳作用
• 阻挡层具有整流特征；
• 正向电流要求为半导体多子形成旳电流；
• n型: 金属极加正电压，V>0，
形成电子由半导体到金属旳正向电流；
电流方向：金属→半导体
• p型：金属极加负电压V<0，
形成空穴由半导体到金属旳正向电流；
材料）和小旳ni（相当于宽禁带材料）旳金属-半导体
系统 。
2、欧姆接触
1）欧姆接触：
不产生明显旳附加阻抗，电流在其上旳产生旳压
降远不大于在器件本身上所产生旳压降。
2）欧姆接触旳主要性：
作为器件引线旳电极接触，要求在金属和半导体
之间形成良好旳欧姆接触。在超高频和大功率器
件中，欧姆接触是设计和制造中旳关键问题之一。
3）n型: 金属极加正电压，V>0，
形成电子半导体 金属旳正向电流；
电流方向：从金属 半导体
半导体势垒区与中性区存在浓度梯度，所以有扩散电流。
有外加电压时，存在漂移电流。
根据：
利用：
得到：
同乘以
得到：
积分：
利用边界条件：
因为
只考虑在x=0附近
表面态能级
：
大多数半导体旳
在Ev以上Eg/3旳地方。
2.表面态旳类型
1）施主型：
电子占满时呈中性，失去电子带正电。
下列旳表面态空着，表面带正电。
2）受主型：
能级空时为电中性，接受电子带负电。
以上旳表面态被电子填充，表面带负电。
3.表面态对接触势垒旳影响
且
趋于饱和。
• 阻挡层具有单向导电性——整流特征。
P型半导体
n型和p型阻挡层旳作用
• 阻挡层具有整流特征；
• 正向电流要求为半导体多子形成旳电流；
• n型: 金属极加正电压，V>0，
形成电子由半导体到金属旳正向电流；
电流方向：金属→半导体
• p型：金属极加负电压V<0，
形成空穴由半导体到金属旳正向电流；
材料）和小旳ni（相当于宽禁带材料）旳金属-半导体
系统 。
2、欧姆接触
1）欧姆接触：
不产生明显旳附加阻抗，电流在其上旳产生旳压
降远不大于在器件本身上所产生旳压降。
2）欧姆接触旳主要性：
作为器件引线旳电极接触，要求在金属和半导体
之间形成良好旳欧姆接触。在超高频和大功率器
件中，欧姆接触是设计和制造中旳关键问题之一。
3）n型: 金属极加正电压，V>0，
形成电子半导体 金属旳正向电流；
电流方向：从金属 半导体
半导体势垒区与中性区存在浓度梯度，所以有扩散电流。
有外加电压时，存在漂移电流。
根据：
利用：
得到：
同乘以
得到：
积分：
利用边界条件：
因为
只考虑在x=0附近
半导体物理专题6——金属和半导体接触
华中科技大学 光学与电子信息学院
20
金属半导体接触的整流-扩散理论
由扩散理论推导的电流密度为：
qV J J exp( ) 1 SD k T 0 2qN D qVD J ( V V ) exp( ) SD D r 0 k0T qn 0 n0
JSD随电压而变化，并不饱和
华中科技大学 光学与电子信息学院
21
金属半导体接触的整流-热电子发射理论
当阻挡层很薄，以至于电子的平均自由程远大于势垒宽度时，扩散理论不再适用。此时，势垒的
形状已不重要，起决定作用的是势垒高度；半导体内电子只要有足够的能量超越势垒顶点，就可 以通过阻挡层进入金属；电流的计算便归结为超越势垒的载流子数目。 根据载流子统计分布理论，能量E~(E+dE)范围内的电子数为：
xd
J
0
qV ( x) exp dx k0T qV ( x) qDn n( x) exp k T 0 0
xd
需求解：
V ( xd )、 V (0)、n( xd ) 、n(0)
xd
0
qV ( x) exp dx k0T
级和Ev+qΦ0之差，因而有
qVD Eg q0 En
华中科技大学 光学与电子信息学院
11
表面态
对于没有表面态的半导体，功函数为：Ws En
对于存在表面态的半导体，功函数为：Ws qVD En
对于表面态钉扎的半导体，功函数为：Ws Eg q0 ->与掺杂浓度无关 例：金属与存在表面态的n型半导体接触，且Wm>Ws：
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
半导体器件物理 Chapter3 pn结及金属半导体接触
正向的PN结电流输运过程 电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程）
扩散电流、复合电流
2、 PN结的反向特性
反向偏置时，漂移大于扩散。
漂移电流、产生电流 反向电流
n p 0 Dn pn 0 D p qVR e kT 1 j j p ( x ) jn ( x ) q L L p n
非平衡态下pn结能带图
正向电压 反向电压
1、PN结的正向特性
正向偏置时，扩散大于漂移。 n x n
p p
qV exp po kT
qV pn xn pno exp kT
P区
N区
n po
xp
xn
p no
x
正向电流
n p 0 Dn pn 0 D p qV e kT 1 j j p ( x ) jn ( x ) q L L p n
三
pn结的击穿特性
• 击穿机理：热击穿、雪崩击穿和隧道击穿。后两种 属于电击穿。 • 热击穿：当pn结外加反向偏压增加时，对应于反向 电流所损耗的功率增大，产生的热量也增加，从而 引起结温上升，而结温的升高又导致反向电流增大。 如果产生的热量不能及时散发出去，结温上升和反 向电流的增加将会交替进行下去，最后使反向电流 无限增长，如果没有保护措施，pn结将被烧毁而永 久失效。这种击穿是由热效应引起的，所以称热击 穿。
受主 离子
施主 离子
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
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平 衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离 子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间 电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。
《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
半导体器件物理-第二章1-3
外延工艺： 外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬 底上沿晶体原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。 外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶 材料薄膜。
外延工艺可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓度， 杂质分布陡峭的外延层。
外延技术：汽相外延、液相外延、分子束外延 （MBE）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。
a
np np0eV VT 和
pn pn0eV VT
➢ 在注入载流子的区域，假设电中性条件完全得到满足，则少数载流子由于 被中和，不带电，通过扩散运动在电中性区中输运。这称为扩散近似。于
是稳态载流子输运满足扩散方程
2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性
突变结的杂质分布
N区有均匀施主杂质，浓度为ND， P区有均匀受主杂质，浓度为NA。 势垒区的正负空间电荷区的宽度分别为xn和-xp。 同样取x=0处为交界面，如下图所示，
明的外延工艺。 • 1970年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特兰尼(E.Castellani)
发明的光刻工艺。正是光刻工艺的出现才使硅器件制 造技术进入平面工艺技术时代，才有大规模集成电路 和微电子学飞速发展的今天。 • 上述工艺和真空镀膜技术，氧化技术加上测试，封装 工艺等构成了硅平面工艺的主体。
光刻工艺： 光刻工艺是为实现选择掺杂、形成金属电极和布线，表面钝化 等工艺而使用的一种工艺技术。 光刻工艺的基本原理是把一种称为光刻胶的高分子有机化合物 （由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成）涂敷在半导体晶片表 面上。受特定波长光线的照射后，光刻胶的化学结构发生变化。 如果光刻胶受光照（曝光）的区域在显影时能够除去，称之为 正性胶；反之如果光刻胶受光照的区域在显影时被保留，未曝 光的胶被除去称之为负性胶；
半导体物理3(第七章)
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7.2 金属半导体接触(jiēchù)整流理论 7.2.3 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。 与pn结的相同点： 单向导电性 。 与pn结的不同点： pn结正向电流为非平衡少子扩散形成的电流,有显著的电荷存储效应；
肖特基势垒二极管的正向电流主要是半导体多数载流子进入金属形成 的，是多子器件，无积累，因此(yīncǐ)高频特性更好； 肖特基二极管JsD和JsT比pn结反向饱和电流Js大得多，因此(yīncǐ)对 于同样的使用电流，肖特基二极管有较低的正向导通电压。
p(0)
p0
exp( qVD k0T
)
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7.3 少数载流子的注入(zhù rù)和欧姆接触 7.3.1 少数载流子的注入(zhù rù)
平衡时，空穴的扩散运动和由于(yóuyú)内电场产生的漂移运动 相等，净电流为零。
加正压时，势垒降低，除了前面所提到的电子形成的电子流以外， 空穴的扩散运动占优，形成自金属向半导体内部的空穴流，形成 的电流与电子电流方向一致，因此总的正向电流包含电子流和少 数载流子空穴流。
两种理论结果表示的阻挡层电流与外加(wàijiā)电压变 化关系基本一致，体现了电导非对称性——正向电压， 电流随电压指数增加；反向电压，电流基本不随外加 (wàijiā)电压而变化
JSD与外加(wàijiā)电压有关；JST与外加(wàijiā)电压 无关，强烈依赖温度T。当温度一定，JST随反向电压增 加处于饱和状态，称之为反向饱和电流。
针对(zhēnduì)n型半导体，电流密度
J
qV JsT [exp( k0T
) 1]
J sT
其中理查逊常数
A*T 2 exp( qns ) k0T
7.2 金属半导体接触(jiēchù)整流理论 7.2.3 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。 与pn结的相同点： 单向导电性 。 与pn结的不同点： pn结正向电流为非平衡少子扩散形成的电流,有显著的电荷存储效应；
肖特基势垒二极管的正向电流主要是半导体多数载流子进入金属形成 的，是多子器件，无积累，因此(yīncǐ)高频特性更好； 肖特基二极管JsD和JsT比pn结反向饱和电流Js大得多，因此(yīncǐ)对 于同样的使用电流，肖特基二极管有较低的正向导通电压。
p(0)
p0
exp( qVD k0T
)
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7.3 少数载流子的注入(zhù rù)和欧姆接触 7.3.1 少数载流子的注入(zhù rù)
平衡时，空穴的扩散运动和由于(yóuyú)内电场产生的漂移运动 相等，净电流为零。
加正压时，势垒降低，除了前面所提到的电子形成的电子流以外， 空穴的扩散运动占优，形成自金属向半导体内部的空穴流，形成 的电流与电子电流方向一致，因此总的正向电流包含电子流和少 数载流子空穴流。
两种理论结果表示的阻挡层电流与外加(wàijiā)电压变 化关系基本一致，体现了电导非对称性——正向电压， 电流随电压指数增加；反向电压，电流基本不随外加 (wàijiā)电压而变化
JSD与外加(wàijiā)电压有关；JST与外加(wàijiā)电压 无关，强烈依赖温度T。当温度一定，JST随反向电压增 加处于饱和状态，称之为反向饱和电流。
针对(zhēnduì)n型半导体，电流密度
J
qV JsT [exp( k0T
) 1]
J sT
其中理查逊常数
A*T 2 exp( qns ) k0T
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六、肖特基二极管特性
肖特基二极管和pn结二极管的比较： 1）pn结正向是少数载流子注入，反向是少数载流子抽取。 肖特基势垒电流由多数载流子传导。
2）pn结中由于少子储存效应，影响了开关速度和高频特性。
肖特基势垒中多子并不积累，直接漂走，频率特性不受 电荷存储时间的限制，具有更好的高频特性。
3）多子电流远高于少子电流，肖
pn结小信号工作时的特点是信号电流与信号电压满足线性关系， 即器件内部载流子分布的变化跟得上信号的变化。pn结在大信 号工作时的特点是I-V、C-V特性都是非线性的。
pn结开关特性
（1）TURN-ON OF A P-N DIODE
从关态到开态，pn结电流的延迟可忽略。
TURN-OFF OF A P-N DIODE
第三章 pn结与金属－半导体接触
主要内容
一、平衡pn结 二、非平衡pn结 三、pn结直流特性 四、pn结电容与交流特性 五、金属－半导体接触· 六、肖特基二极管特性
二极管作用：整流、稳压、变容、发光。
一、平衡PN结二极管
1、PN结的形成
在一块N型（或P型）半导体单晶衬底上用扩散、外 延法或离子注入等方法掺入P型（或N 型）杂质。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 自建电场 理过程:
雪崩击穿和隧道击穿的区别
机理： • 隧道击穿取决于穿透隧道的几率 势垒区宽度要窄。 • 雪崩击穿取决于碰撞电离
有一定的势垒区宽度。
从实验上可区分这两种不同的电击穿。研究分析表明：
硅pn结： < 4 V
> 6 V
隧道击穿
雪崩击穿
四、 pn结电容与交流特性
• PN结在不同的偏置下，存贮的电荷会发生变化， 这说明PN结具有电容效应。 • PN结中有两类电荷随外加电压变化，因此存在两 种类型的电容 –势垒电容CT –扩散电容CD
雪崩击穿 • 耗尽区中的载流子受到该区电场加速而不断增加 能量，当能量达到足够大时，载流子与晶格原子 碰撞时使其电离，从而产生电子-空穴对。 • 新产生的电子-空穴对又在电场作用下加速，与原 子碰撞再产生第三代电子-空穴对。如此继续，产 生大量导电载流子，电流迅速上升。
隧道击穿 • PN 结掺杂浓度十分高 (>51017cm-3 ） 时 ， 耗 尽区宽度变得很窄，耗 尽区内的电场高达 106Vcm-1。 • 这种情况下，价带电子 可以直接穿过禁带到达 导带，成为自由电子， 引起电流迅速增加。这 种击穿叫做隧道击穿。
• 电击穿现象： PN结反向电压增加到一定数值（ VB ）时，反向电 流 开 始 急 剧 上 升 ， 这 种 现 象 称 为 PN 结 击 穿 。 VB 称为击穿电压。 • PN结电击穿机构有两种： 雪崩击穿（Avalanche Breakdown) 隧道击穿或齐纳击穿 (Tunneling or Zener Breakdown)
平衡pn结载流子浓度分布 • 在空间电荷区边界 （xp)处的载流子浓 度分别等于p区平衡 少子浓度和多子浓度。 • 在空间电荷区边界 （xn)处的载流子浓 度分别等于n区平衡 少子浓度和多子浓度。
二、非平衡pn结及直流特性
在pn结上施加偏置电压时，pn结处于非平衡状态。 为分析方便，规定p区接电源正极为正向偏置，反之则 为反向偏置。
三
pn结的击穿特性
• 击穿机理：热击穿、雪崩击穿和隧道击穿。后两种 属于电击穿。 • 热击穿：当pn结外加反向偏压增加时，对应于反向 电流所损耗的功率增大，产生的热量也增加，从而 引起结温上升，而结温的升高又导致反向电流增大。 如果产生的热量不能及时散发出去，结温上升和反 向电流的增加将会交替进行下去，最后使反向电流 无限增长，如果没有保护措施，pn结将被烧毁而永 久失效。这种击穿是由热效应引起的，所以称热击 穿。
受主 离子
施主 离子
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
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平 衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离 子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间 电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。
正向的PN结电流输运过程 电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程）
扩散电流、复合电流
2、 PN结的反向特性
反向偏置时，漂移大于扩散。
漂移电流、产生电流 反向电流
n p 0 Dn pn 0 D p qVR e kT 1 j j p ( x ) jn ( x ) q L L p n
特基势垒中的饱和电流远高于有 同样面积的pn结。 对同样的电流，在肖特基势 垒上加的电压要少的多。
思考题
• • • •
• • • •
什么是平衡pn结？ 解释平衡pn结的空间电荷区和载流子分布。 什么是非平衡pn结？ 了解pn结正向偏置与反向偏置的载流子分布以及 pn结的特性。 雪崩击穿的机理是什么？ 势垒电容与扩散电容的产生机构是什么？ pn结的开关特性？ 金属-半导体接触类型？
2、平衡pn结
（1）扩散流等于漂移流。 （2）pn结的内建电势VD (N型区到P型区的电势差) （接触电势差）） ：
kT N A N D VD ln q ni2
接触电势差，由pn结两边的掺杂浓度决定，与半导 体材料的特性相关。
平衡pn结能带图
P区能带相对于n区能带上移的原因： 能带图是按电子的能量高低来画的。由于内建电 场，使P区的电子能量在原来能级的基础，迭加上 一个由电场引起的附加势能。能带上移的高度即 为接触电势差。 在半导体中有电场存在的地方，能带会发生弯曲，朝 电场所指的方向上移，电场强度越强，能带弯曲越厉 害，电场为零或很弱的地方，能带保持平直。
空间电荷区及内建电场
内建电场和内建电势
• 内建电场：实际上是组成p-n结的n型材料和p型材料 之间的接触电势差。按照多种材料串联接触的电势 差在同一温度下只决定于第一种材料和最后一种材 料而和中间任何一种材料无关这一性质，不难理解， 用普通电表测不出p-n的内建电势；无论画电路图或 列电路方程都不应考虑这个电势差。但内建电势影 响载流子分布，在研究半导体器件的物理过程时是 非常重要。
势垒电容
• 当外加电压VA 变化时，pn结的空间电荷宽度跟着 发生变化，因而势垒区的电荷量也就随外加电压 变化而变化。这相当PN结中存储的电荷量也随之 变化，犹如电容的充放电效应。因为发生在势垒 区，故称势垒电容，用CT表示。
Q dQ CT V dV
扩散电容
• 在交流状态下，pn结在直流偏置VA上迭加交流信号 v(t)。既然pn结外加电压包括直流分量和交流分量， 必然引起注入少子浓度也包含直流和交流分量。 • PN结扩散电容来源于扩散区积累的过剩载流子电荷 随外加电压的变化。过剩载流子随外加电压变化的 同时，空间电荷区两侧的扩散区电荷也有变化。扩 散区是中性的，积累过剩载流子的同时，在同一区 也必然积累等量的过剩多子。
金属与N型半导体接触，Wm<Ws 时 此时，电子将从金属流向半导体，在半导体表面形 成负的空间电荷层，使得半导体侧电子能量提高； 在空间电荷区中表面附近能带向下弯曲，电子浓度 将比体内的平衡浓度大得多，它是多子（电子)积累 层，是一个高电导层；这种情况下，多子（电子） 在两种材料中的相互转移，不需要越过势垒就可以 运动到对方，通常称为多子反阻挡层。
空间电荷区边界少子浓度与外加偏压的关系：
p
n p (x) n p xn n0
np(x) n p0 xp
pn结直流特性
PN结的特性 单向导电性： • 正向偏置
正向导通电压Vbi～0.7V(Si)
• 反向偏置 反向击穿电压VB • 正向导通，多数载流子扩 散电流； 反向截止，少数载流子漂 移电流。
• 外加电压变化时，扩散区任意小的局部范围内， 电子和空穴的数量都以相同的速率增加和减少； 充放电过程中，扩散区始终维持电中性。所以， 扩散电容的正负电荷应理解为空间同一位置上价 带里的空穴和导带中的电子。
pn结的交流特性和开关特性
频率特性：半导体器件用于模拟电路（处理连续波） 时所表现出来的性能. 开关特性：半导体器件用于开关工作（处理数字信 号或脉冲信号）时所表现出来的性能. 小信号工作：信号电流（电压）<<偏置电流电压）， 模拟电路经常工作于小信号 大信号工作：信号电流（电压）>>小信号工作时的 信号电流（电压）.
五、金属-半导体接触
• 金属-半导体接触可以分成两类，一类是整流接触， 一类是欧姆接触。 • 半导体器件中金属的应用 使载流子（电子和空穴）在进 出半导体时少受阻力 整流
器件间的低阻互联
金属-半导体接触势垒
由于金属与半导体的功函数不同，它们相互紧密接 触时，会产生接触电势差。
金属与N型半导体接触，Wm>Ws 时 当它们紧密接触时，电子会从费米能级高的地方向 低的地方流动，所以半导体中电子会向金属中流动， 使金属表面荷负电，电子能量提高，而半导体表面 形成正的空间电荷区；当整个系统达到平衡时，金 属和半导体形成统一的费米能级。
非平衡态下pn结能带图
正向电压 反向电压
1、PN结的正向特性
正向偏置时，扩散大于漂移。 n x n
p p
qV exp po kT
qV pn xn pno exp kT
P区
N区
n po
xp
xn
p no
x
正向电流
n p 0 Dn pn 0 D p qV e kT 1 j j p ( x ) jn ( x ) q L L p n
从开态到关态，pn结电流有延迟。
在sd时间内，过剩载流子被 抽取。
直到过剩载流子抽取完，二极 管的偏压才由正偏变为负偏。
• 电荷贮存效应 贮存时间sd • 下降时间t • 反向恢复时间 sd＋t –决定因素： • 少子寿命p • 正向注入电流If • 反向抽取பைடு நூலகம்流Ir 由于If 、Ir常受到电路中其他条件的限制，所 以，减小载流子寿命比较可行。