第12讲-金属-半导体接触和MIS结构.ppt

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1、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。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。7.1.1功函数的概念固体中的共有化电子虽

2、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）W=E0-EfE0:真空中的静止电子能量；Ef:费米能级。固体真空Ef（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

3、跃迁到体外所需最小能量Wm：Wm=E0-Efm金属真空其量值约为几个电子伏特。EcEv功函数的大小标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。（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半导体真空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。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

4、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xy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。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

5、，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。Efs-Efm=Wfm-Wfs金属E0EfmEfsEvEc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。金属E0EfmEfsEvEcEfmEfs＋＋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

6、势垒，称为金属-半导体接触表面势垒，又称电子阻挡层。金属E0EfsEvEcEfmEfs＋＋E电子阻挡层Efm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)/q2）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。

7、金属E0EfsEvEcEfmEfs＋＋E高电子电导区Efm7.1.4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。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

8、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。（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，SB