第12讲金属-半导体接触和MIS结构

1、第七章第七章 金属金属-半导体接触和半导体接触和MIS结构结构学习目标：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 金属金属-半导体接触半导体接触 金属金属-半导体接触：半导体接触：指的是有金属和半导体相互接触而指的是有金属和半导体相互接触而形成的结构。形成的结构。 现代半导体工艺中，金属现代半导体工艺中，金属-半导体接触是半导体接触是通过在半导体通过在半导体表面真空蒸发一金属表面形成表面真空蒸发一金属表面形成，常用的金属有，常用的金属有铝和金铝和金。 金属金属-半导体接触可形成半导体接触可形成整流特性接触和欧姆接触整

2、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。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。欧姆接触：电极连接作用，等效一个小电阻。 7.1.1 功函数的概念功函数的概念 固体中的固体中的共有化电子虽然能在固体中自由运动共有化电子虽然能在固体中自由运动，但绝，但绝大多数所处的大多数所处的能级都低于体外能级能级都低于体外能级。要使电子从固体中逸。要使电子从固体中逸出，必须由外界给它以足够的能量。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

3、空间所作的功体外自由空间所作的功。（逸出功）。（逸出功） W=E0-Ef E0: 真空中的静止电子能量；真空中的静止电子能量； Ef : 费米能级。费米能级。固体真空FmE0EEf （1）金属材料的功函数）金属材料的功函数 绝对零度绝对零度时，金属中的时，金属中的电子填满了费米能级电子填满了费米能级 EF以下的以下的所有能级所有能级，而，而高于高于 EF的能级则全部是空的能级则全部是空着的。着的。 一定一定温度温度下，只有下，只有EF附近的少数电子受到附近的少数电子受到热激发热激发，由，由低于低于 EF的能级的能级跃迁跃迁到高于到高于EF的能级上去，但是绝大部分电的能级上去，但是绝大部分电子仍

4、子仍不能脱离金属而逸出体外不能脱离金属而逸出体外。 一个一个电子从金属跃迁到体外所需最小能量电子从金属跃迁到体外所需最小能量Wm： Wm=E0-Efm金属真空FmE0E其量值约为几个电子伏特。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功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱，中束缚的强弱，Wm越大，电子越越大，电子越不容易离开金属。不容易离开金属。 （2）半导体材料的功函数）半导体材料的功函数 在半导体中，在半导体中，导带底导带底Ec和价带顶和价带顶Ev一般都比一般都比E0低几个电低几个电子伏特子伏特。要使。要使电子从半导体逸出，也必须给它以相应的电子从半导体逸出，也必须给它

5、以相应的能量。能量。 和金属类似可以定义和金属类似可以定义半导体的功函数：半导体的功函数： Ws=E0-Efs半导体真空FsE0EsWcE半导体费米能级半导体费米能级与半导体型号和与半导体型号和杂质浓度有关，杂质浓度有关，功函数功函数也与半导也与半导体型号和杂质浓度有关。体型号和杂质浓度有关。 由于由于p型半导体的费米能级较低，所以功函数比型半导体的费米能级较低，所以功函数比n型半导型半导体大；体大； p型半导体的杂质浓度越高功函数越大，型半导体的杂质浓度越高功函数越大，n型半导体则相型半导体则相反。反。 7.1.2金属金属-半导体接触半导体接触 金属金属-半导体接触：是通过在半导体表面真空蒸

6、发一半导体接触：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。金属表面形成，常用的金属有铝和金。 不同伏安特性：不同伏安特性：（1）半导体）半导体掺杂浓度低掺杂浓度低（低于（低于5*1023/cm3），），类似类似p-n结单结单向导电性向导电性。（红）（红）（2）掺杂）掺杂浓度很高浓度很高（高于（高于1026/cm3），电流随电压增加），电流随电压增加（正向或反向），电流成倍增加，相当于一个（正向或反向），电流成倍增加，相当于一个很小电阻很小电阻。绿绿xy整流效应（单向导电）的整流效应（单向导电）的金属和半导体接触，称为金属和半导体接触，称为肖特基接触肖特基接触；具线性和对；具

7、线性和对称的电压电流关系为称的电压电流关系为欧姆欧姆接触接触。 7.1.3 金属金属-半导体接触的能带半导体接触的能带 金属金属-半导体接触，费米能级通过功函数表示，半导体接触，费米能级通过功函数表示，功函数大，功函数大，费米能级费米能级Ef位置低位置低，功函数小，费米能级功函数小，费米能级Ef位置高。位置高。 （1）金属）金属-N型半导体材料接触型半导体材料接触 1）接触前金属的功函数大于半导体的功函数）接触前金属的功函数大于半导体的功函数，费米能级，费米能级差等于功函数差。差等于功函数差。 Efs-Efm=Wfm-Wfs金属E0EfmEfsEvEc 金属的费米能级低于金属的费米能级低于半导

8、体费米能级。半导体中半导体费米能级。半导体中电子向金电子向金属扩散属扩散，金属表面带负电，半导体表面带正电金属表面带负电，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。正负电荷相等，保持电中性，统一的费米能级。金属E0EfmEfsEvEcEfmEfs 电子流动后电子流动后，N半导体半导体表面留下施主离子表面留下施主离子正电荷正电荷，金金属属一侧一侧电子层电子层，形成空间电荷区。形成，形成空间电荷区。形成内建电场内建电场。 与与P-N结相似，结相似，内建电场产生势垒内建电场产生势垒，称为金属，称为金属-半导体半导体接触接触表面势垒表面势垒，又称，又称电子阻挡层电子阻挡层。金属E0

9、EfsEvEcEfmEfsE电子阻挡层电子阻挡层Efm 达到达到平衡平衡，从，从N型半导体型半导体扩散扩散（电场作用力）向金属和从（电场作用力）向金属和从金属金属漂移漂移（浓度差）到半导体的电子数相等。（浓度差）到半导体的电子数相等。 势垒两边电势差称为势垒两边电势差称为金属金属-半导体接触电势差半导体接触电势差 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）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。费米能级高。 金属表面金属表面形成形成高密度空穴层高密度空穴层，半导体侧半导体侧形成形成电子积电子积累区累区，电子

10、高导电率的空间电荷区，又称，电子高导电率的空间电荷区，又称高电子电导区高电子电导区，或或反阻挡区反阻挡区。 2、金属与金属与P型半导体接触型半导体接触类似，形成类似，形成空穴阻挡区和空穴阻挡区和高电导区高电导区。金属E0EfsEvEcEfmEfsE高电子电导区高电子电导区Efm 7.1.4金属金属-半导体接触整流特性半导体接触整流特性 在在金属和金属和N半导体之间加电压半导体之间加电压，影响内建电场和表面影响内建电场和表面施垒施垒。 1）金属的功函数大于）金属的功函数大于N型半导体的功函数型半导体的功函数，金属接，金属接正极，半导体接负极。正极，半导体接负极。外电场与内建电场相反外电场与内建电

11、场相反，抵消部，抵消部分，分，电子阻挡层变薄电子阻挡层变薄，电子从半导体流向金属。，电子从半导体流向金属。电压增电压增加，电流随之增加加，电流随之增加。 2）金属的功函数大于）金属的功函数大于N型半导体的功函数型半导体的功函数，金属接，金属接负极，半导体接正极。负极，半导体接正极。外电场与内建电场一致外电场与内建电场一致，电子阻电子阻挡层变厚挡层变厚，电子从半导体流向金属很少。，电子从半导体流向金属很少。电流几乎为电流几乎为0。 与与P-N结类似，结类似，具整流效应具整流效应。 整流特性金属整流特性金属-半导体接触，称为肖特基接触，肖特半导体接触，称为肖特基接触，肖特基二极管（基二极管（SBD） 肖特基二极管（肖特基二极管（SBD）特性：）特性： （1）高频性能好，开关速度快）高频性能好，开关速度快 SBD电流电流取决于取决于多数载流子的热电子发射多数载流子的热电子发射；（功函数差）；（功函数差） P-N结电流结电流取决于取决于非平衡载流子的扩散运动非平衡载流子的扩散运动。（浓度差）。（浓度差） SBD：不发生电荷存储效应不发生电荷存储效应； P-N结结：电荷存储效应。电荷存储效应。