半导体器件物理之半导体接触
第七章 半导体的接触现象汇总
第七章 半导体的接触现象半导体的接触现象主要有半导体与金属之间的接触（肖特基结和欧姆接触）、半导体与半导体之间的接触（同质结和异质结）及半导体与介质材料之间的接触。
§7-1 外电场中的半导体无外加电场时，均匀掺杂的半导体中的空间电荷处处等于零。
当施加外电场时，在半导体中引起载流子的重新分布，从而产生密度为)(rρ的空间电荷和强度为)(r∈的电场。
载流子的重新分布只发生在半导体的表面层附近，空间电荷将对外电场起屏蔽作用。
图7-1a 表示对n 型半导体施加外电场时的电路图。
在图中所示情况下，半导体表面层的电子密度增大而空穴密度减小（见图7-1b 、c ），从而产生负空间电荷。
这些空间电荷随着离开样品表面的距离的增加而减少。
空间电荷形成空间电场s ∈，在半导体表面s ∈达到最大值0s ∈（见图7-1d ）。
空间电场的存在将改变表面层电子的电势和势能（见图7-1e 、f ），从而改变样品表面层的能带状况（见图7-1g ）。
电子势能的变化量为)()(r eV r U -=，其中)(r V是空间电场（也称表面层电场）的静电势。
此时样品的能带变化为)()(r U E r E c c+=)(r E v=)(r U E v + （7-1） 本征费米能级变化为 )()(r U E r E i i+=杂质能级变化为 )()(r U E r E d d+= （7-2） 由于半导体处于热平衡状态，费米能级处处相等。
因此费米能级与能带之间的距离在表面层附近发生变化。
无外电场时这个距离为（f c E E -）和（v f E E -） （7-3）而外场存在时则为[]f c E r U E -+)(和-f E [)(r U E v +] （7-4）比较（7-3）和（7-4）式则知如果E c 和E f 之间的距离减少)(r U，E f 与E v 之间的距离则增加)(r U。
当外电场方向改变时，n 型半导体表面层的电子密度将减少，空穴密度将增加，在样品表面附近的导电类型有可能发生变化，从而使半导体由n 型变为p 型，产生反型层，在离表面一定距离处形成本征区，此处的费米能级位于禁带的中央，见图7-2。
半导体器件物理之半导体接触
qn (nE
kT q
n ) x
Jn
qn (nE
kT q
n )
x
n
n
EF x
0
EF 0 x
EF Ei kT ln(n / ni ) E 1 Ei
q x
同理
Jp
0
p
p
EF x
21
净电子和空穴电流为零，要求费米 能级在整个样品中为常数。
空间电荷分布：
0 x xn
23
电势分布:
两次积分，得到电势分布
V
(x)
Em
(x
x2 2W
)
内建势
Vbi
1 2
EmW
1 2
Em (xn
xp)
总的耗尽层宽度
电势，Vbi 为内建势
| Em
|
qND xn
s
qN A x p
s
24
能带：
内建势
qVbi Eg (qVn qVp )
kT
第二章 半导体接触
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。
C 2 x 2
一维扩散方程，菲克定律
杂质总量为S的“有限源”情况： 高斯函数
C ( x, t )
半导体物理金属半导体接触及其平衡状态
一些金属元素的功函数
引自 “Metal-semiconductor Contacts” 1978年版
元素 Al Cu Au W Ag Mo Pt
功函数 4.18 4.59 5.20 4.55 4.42 4.21 5.43
（eV）
2、半导体的功函数和电子亲和能
WS E0 EFS
E0 EC WS (EC EFS )
n0
NC
exp(
EC EF kT
)
NC
exp(
En ) kT
ND
En
kT ln
NC ND
0.0259 ln
2.8 1019 1017
0.15eV
查表5-1知Si的电子亲合能为4.05eV，得Si的功函数WSi = 4.05+0.15 = 4.20 eV。
查表5-2知WAl = 4.18eV < WSi，所以不考虑表面态影响时，该 n-Si与Al接触形成反阻挡层；而WAu和WMo均大于WSi，所以 Au和Mo与n-Si接触在不考虑表面态影响时均形成阻挡层。
级，于是使表面带负电，同时பைடு நூலகம்近
表面附近产生正的空间电荷区，形
成电子势垒，平衡时的势垒高度qVD 使电子不再向表面填充。
q0 高密度表面态将费米能级钉扎在q0
qVD EF
低密度表面态
qVD EF
高密度表面态
3、表面态改变半导体的功函数
E0
WS
WS
EF
Eg q0
qVD WS
EF q0
E0
qVD EF
无表面态
• 但表面态使其无效！ 2）金属与重掺杂半导体接触时，阻挡层很薄，动能较低的 电子就可以直接贯穿势垒形成相当大的隧道电流，甚至超过 热电子发射电流而成为电流的主要成分。当隧道电流占主导 地位时，其接触电阻就会很小，成为欧姆接触 。
半导体的表面以及界面及接触现象
外加反向偏压时，VG<0，电场由体内指 向表面，VS<0。
2．能带弯曲和载流子浓度的变化
(1) 能带弯曲
有表面势存在时，空间电荷区内的电子受到一 个附加电势的作用，电子的能量变为： EC(x)=ECqV(x)、EV(x)=EVqV(x)
●VG>0，VS>0时，取负号，空间电荷区的能 带从体内到表面向下弯曲 ●VG<0，VS<0时，取正号，空间电荷区的能 带从体内到表面向上弯曲
--
Ev
电离受主 表面态
金属 绝缘体
d
半导体
欧姆接触
MIS结构
理想的MIS结构: 金属与半导体间功函数差为零 绝缘层中无电荷且绝缘层完全不导电 绝缘层与半导体界面处不存在任何界面态
MIS结构是一电容 在金属与半导体间加电压后, 金属和半导体
相对的两个面上被充电, 符号相反 金属中, 电荷分布在一个原子层范围内;
半导体中, 电荷分布在一定厚度的表面层内--空间电荷区
硅表面悬挂键
由于悬挂键的存在，表面 可与体内交换电子和空穴。
理想表面实际上不存在
共价半导体的表面再构现象: 近表面几个原子厚度的表面层中, 离子
实所受的势场作用不同于晶体内部, 使得晶 体的三维平移对称性在表面层中受到破坏, 表面上形成新的原子排列结构, 这种排列具 有沿表面的二维平移对称性.
例如: 对硅(111)面，在超高真空下,可观察到 (7*7)结构，即表面上形成以(7*7)个硅 原子为单元的二维平移 对称性结构。
二、实际的MIS结构的C-V特性
1．金属和半导体功函数的影响
(EF)M>(EF)S WM<WS
Wm E0 (EF)m Ws E0 (EF)s
半导体物理金属半导体接触
半导体物理金属半导体接触半导体物理中的金属半导体接触是一个重要的研究领域，它涉及到金属和半导体之间的界面现象和电子输运过程。
金属半导体接触在半导体器件中起着关键的作用，例如二极管、场效应晶体管和光电二极管等。
了解金属半导体接触的特性和行为对于理解和优化半导体器件的性能至关重要。
金属半导体接触的基本原理是金属和半导体之间的电子能级对齐。
在金属中，电子能级是连续的，而在半导体中，电子能级是分散的。
当金属与半导体接触时，金属的导带和半导体的导带会发生能级的重叠，形成能带弯曲。
这种能带弯曲会导致金属的电子向半导体中流动，形成电子注入。
同时，金属和半导体之间会形成能带弯曲敏感的空间电荷区，也称为肖特基垒。
肖特基垒的形成使得金属半导体接触具有整流作用。
金属半导体接触的性质受到多种因素的影响，包括金属和半导体材料的选择、接触面积和温度等。
金属半导体接触的电流输运机制可以通过肖特基势垒理论来解释。
根据肖特基势垒理论，金属半导体接触的电流主要由两个成分组成：扩散电流和漏电流。
扩散电流是由肖特基垒两侧载流子的扩散引起的，而漏电流是由肖特基垒两侧的载流子隧穿引起的。
通过调节金属半导体接触的参数，可以控制扩散电流和漏电流的大小，从而优化器件的性能。
金属半导体接触的界面特性也是研究的重点之一。
界面特性包括接触电阻、势垒高度和界面态等。
接触电阻是衡量金属半导体接触电流输运效率的重要参数，它取决于金属和半导体之间的接触面积和接触质量。
势垒高度是指肖特基垒的高度，它对电流输运和器件性能有重要影响。
界面态是指金属和半导体接触处的能级不连续性引起的局部能级，它对电子输运和界面反应有显著影响。
在半导体器件中，金属半导体接触的性能直接影响着器件的性能。
为了提高器件的性能，研究人员通过优化金属半导体接触的材料和结构，以及控制界面特性来改善器件的性能。
例如，通过引入衬底工程技术和金属工程技术，可以减小金属半导体接触的接触电阻和势垒高度，提高器件的性能。
半导体物理 半导体中的接触现象
(
r
F
)
EC
EF Ed
F
v
反映了半导体中不同位置载流子分布
EV
的变化。
能级与空间位置r有关，
x
任何一处Eg不变，与r无关 (f) 能带结构变化4
n ns
Ns N0
(a) 电子浓度 n0
(b) 空间电荷分布
0
x
0
x
s
(c) 电场分布
s
0
x
U (e) 电子势能分布
0
x
V Vs (d) 接触电场静电势分布
若用E0表示真空中静止的电子能量，则一个起始能量等于EF 的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量为：
WM E0 EF
WM称为金属的电子功函数，功函数的大小标志着电子在金属 中束缚的强弱，WM越大，电子受束缚越强。
12
在半导体中，导带底Ec一般比E0低几个电子伏特。
半导体的功函数： WS E0 EF
E( c
E( v
r r
杂质能级:
) ) E(
d
E c
E
r
v
)
U( U( E
d
r ) r ) U(
E c
E
r
v
)
eV eV E
d
( r ) ( r ) eV
(
f
r
பைடு நூலகம்)：
)
由于半导体处于热平衡态，费米能级不变。
非简并
则费米能级和能带之间的距离发生变化： E
E U ( r ) E
简并
c
E E
U
r 0 (8.5)
设半导体体内电子浓度为N ( x ) 0
半导体物理第七章金属和半导体接触
（1）扩散理论
xd>> ln时，电子通过势垒区将发生多次碰撞。 势垒高度qVD>>k0T 时，势垒区内的载流子浓度近似 等于零。
耗尽层中的电荷密度：
q0ND
(0xxd) (xxd)
（1）
代入泊松方程 d 2V
dx 2
r 0
即
d 2V dx 2
qN D
r 0
0
(0 x xd ) (x xd )
将（3）式代入（4）式，则在xm处的电势降落为：
无镜象力
q
q ns
q
* ns
有镜象力
0 xm
x
镜象势能
qJ反向
q q ns ( q )V ( x m )
q2ND
r0
xm xd
1 4
4
2q7 N D
2
3 r
3 0
(V D
V)
q 可增见大金q反。属n*向一s 偏边q 压有和 效n掺势s杂垒q较高高度时将导半q致导势D V * 体垒 侧最q 有高(V 效点D 势降 垒落 高值度)
讨论
（1）V > 0 时
qV
如果 qVk0TJJSD ek0T
（2）V < 0 时
如果 q Vk 0T JJSD
I
0
V
Mg2Si-nSi与Al-nSi肖特基二极管V-I特性
（2）热电子发射理论 xd<< ln时，电子通过势垒区的碰撞可以忽略。当电
子动能大于势垒顶部时，电子可以自由越过势垒进入另 一边——热电子发射。
N D exp
q (V D V ) k 0T
N c exp
q ns exp k 0T
qV k 0T
半导体物理第七章金属和半导体的接触
半导体的导电性能介于金属和绝缘体 之间。其内部存在一个或多个能隙， 使得电子在特定条件下才能跃迁到导 带。常见的半导体材料有硅、锗等。
接触的物理意义
01
金属和半导体的接触在电子器件 中具有重要应用，如接触电阻、 欧姆接触等。
02
理解金属和半导体的接触性质有 助于优化电子器件的性能，如减 小接触电阻、提高器件稳定性等 。
03
肖特基结模型适用于描述金属 和p型半导体之间的接触。
06
金属和半导体的接触实验 研究
实验设备和方法
实验设备
高真空镀膜系统、电子显微镜、 霍尔效应测量仪等。
实验方法
制备金属薄膜，将其与半导体材 料进行接触，观察接触表面的形 貌、电子输运特性等。
实验结果分析
接触表面的形貌分析
通过电子显微镜观察接触表面的微观结构， 了解金属与半导体之间的相互作用。
详细描述
当金属与半导体相接触时，由于金属和半导体的功函数不同，会产生电子的转移。这种电子的转移会 导致在接触区域形成一个势垒，阻碍电子的流动，从而产生接触电阻。接触电阻的大小与金属和半导 体的性质、接触面的清洁度、温度等因素有关。
热导率
总结词
热导率是指材料传导热量的能力，金属 和半导体的热导率差异较大，这会影响 它们之间的热交换效率。
详细描述
欧姆接触的形成需要满足一定的条件，包括金属与半导体之间要有良好的化学相容性和冶金相容性，以及半导体 内部载流子浓度要足够高。欧姆接触在集成电路和电子器件中具有广泛应用。
隧道结
总结词
隧道结是指金属和半导体之间形成的 具有隧道传输特性的结，当外加电压 达到一定阈值时，电流可以通过隧道 效应穿过势垒。
2
这个接触势垒会影响金属和半导体之间的电流传 输和热传导，进而影响电子器件的性能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
q
s
p n x
q
s
x
W x W
2
2
积分,得到电场分布:
qa (W / 2)2 x2
E(x)
s
2
最大电场:
Em
qaW2
8 s
32
两次积分,得到内建势:
Vbi
qaW3
12 s
W
12 sVbi
qa
1/ 3
Vbi
kT q
ln
缺点： • 离子注入损伤
激光处理：
用高强度的激光辐射可去除离子 注入损伤，使半导体层再结晶。
15
1。基本器件工艺
杂质分布描述
突变结—合金结、浅扩散结和离子注入结
突变结近似的杂质分布。
16
1。基本器件工艺
线性缓变结—深扩散结
线性缓变结近似的杂质分布。
17
1。基本器件工艺
通过绝缘层上的窗口向半导体本底扩散形成p-n结时，杂质要向下扩散，也要 向侧向扩散：柱形边缘分布和球形角分布
扩散势、耗尽区 耗尽区电容
电流-电压特性 结的击穿
瞬变特性
端功能
19
2。耗尽区和耗尽电容- 突变结
当半导体的杂质浓度从受主杂质NA突变为施主杂质ND时，得到突变结.
xN -xP
空间电荷分布
20
热平衡状态（无外电压，没有电流）： J n 0
根据电流密度方程：
Jn
qnnE
qDn
n x
2V q
x2
s
ND
2V x2
q
s
NA
积分，得到电场分布
0 x xn xp x 0
E(
x)
qN A( x
s
xp
)
Em
qN A
s
x
E(x)
qND ( x
s
xn )
Em
qND x
s
X=0处的最 大电场
xp x 0
在扩散掩膜边缘附近形成结弯曲的平面 扩散工艺。
通过矩形掩膜扩散形成近似的柱面和球面区。
18
p-n结
p-n 结理论是半导体器件物理的基础。
PN结两侧电子和空穴浓度相差悬殊 P区空穴和N区电子向对方扩散， 空间电荷区 自建电场 NP
1。p-n 结的理想静态和动态特性。
2。讨论耗尽层内的产生和复合。
p-n 结
在p型和n型半导体之间形成的
EC
“结”，具有整流特性，广泛用于电
Ef 子电路的整流、开关及其他工作中。
若再加一层p型半导体，两个p-n结构
EV
ห้องสมุดไป่ตู้
成p-n-p双极晶体管。
3
异质结界面
EV
EC
EC Ef
EV
即在两种不同的半导体之间形成的 界面，可构成双异质结激光器等。
金属-绝缘体-半导体结构
(aW
/
2)(aW ni2
/
2)
kT q
ln
aW 2n i
2
线性缓变结的耗尽层电容:
C
dQC dV
d(qaW 2 /8)
d(qaW3/12s )
s
W
12
qa
(Vbi
2 s
V)
1/3
F/cm
2
33
Ge, Si 和GaAs 线性缓变结的梯度电压.
与扩散（10000C) 相比，是低温工艺，可在室温下进行。
在低于700度下退 火，去除晶格损伤
10
1。基本器件工艺
平面工艺中的主要工序
外延生长
可用气相生长技术形成，例如：
12000 C
热CVD SiCl4 2H2 Si(固相） 4HCl (气相）
MOCVD MBE
精确控制组分和薄膜厚度-原子层生长 物理气相沉积
D D0 exp( E / k T)
14
杂质扩散系数D与 杂质固溶度有关
1。基本器件工艺
离子注入：为改变衬底的电学、冶金学或化学性质而 将带电高能原子引入衬底。
典型离子能量：10-400keV之间
典型离子剂量：1011-1016 离子数/cm2
优点：
• 精确控制总剂量，深度分布和面均匀性 • 低温工艺 • 注入结能与掩膜边缘自对准
C 2 x 2
一维扩散方程，菲克定律
杂质总量为S的“有限源”情况： 高斯函数
C ( x, t )
S
(Dt )1/ 2
exp(
x2 4Dt
)
表余面 误浓 差度 函为 数Cs的“恒定表面浓度“情形C：(x, t) Cserfc ( 2
x) Dt
扩散系数D依赖于温度和杂质浓度，在低浓度情况下，D与杂质无关。
介绍几种器件制备方法
合金法 得到的结的位置严格依赖于温度-时间合金过
程，难以精确控制。
7
1。基本器件工艺
固态扩散法
能精确控制杂质分布
扩散台面结法
8
1。基本器件工艺
固态扩散法
采用绝缘层的方法
外延 衬底
平面工艺—是制备半导体器件的主要方法
9
1。基本器件工艺
离子注入-更精确地控制杂质的分布
qn (nE
kT q
n ) x
Jn
qn (nE
kT q
n )
x
n
n
EF x
0
EF 0 x
EF Ei kT ln(n / ni ) E 1 Ei
q x
同理
Jp
0
p
p
EF x
21
净电子和空穴电流为零，要求费米 能级在整个样品中为常数。
空间电荷分布：
34
虚线为零 偏压情形
Si线性缓变结的耗尽层宽度和单位面积耗尽层电容与杂质浓度梯度的关系.
35
xN -xP
( x) qND ( x) qN A
xm xn xp
(0 x xn ) ( x p x 0)
ND xn N Axp
空间电荷区总宽度
22
电场分布： 泊松方程+边界条件
根据泊松方程，得到：
2V Ε ( x) x2 x s
单边突变结，单位面积电容：
C
dQ
/
dV
d (qNBW )
d[(qNB / 2 s )W
2]
s
W
1/C2~V 直线， 斜率：衬底杂质浓度， 1/C2=0时截距：内建势。
q s NB
2
(Vbi
V
2kT
/
q)1/ 2
s
2LD
(Vbi
V
2)1/ 2
F/cm2
反向和正 向偏置
第二章 半导体接触
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。
2 s (Vbi 2kT / q)
qNB
LD
2(Vbi 2)
q / kT
半导体的特征长度，德拜长度
LD
skT
q2NB
s qN B
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： C dQ / dV
pn0
pp0
exp(
qVbi kT
)
np0
nn0
exp(
qVbi kT
)
25
Ge， Si， GaAs单边突变结的内建势
26
耗尽层的宽度
双边突变结 W
2 s
q
(NA ND NAND
)Vbi
单边突变结
W 2 sVbi
qNB
考虑到多数载流子分布尾，经过修正的单边突变结的W：
W
0 x xn
23
电势分布:
两次积分，得到电势分布
V
(x)
Em
(x
x2 2W
)
内建势
Vbi
1 2
EmW
1 2
Em (xn
xp)
总的耗尽层宽度
电势，Vbi 为内建势
| Em
|
qND xn
s
qN A x p
s
24
能带：
内建势
qVbi Eg (qVn qVp )
kT
1/
C2
2 LD 2
s2
(Vbi
V
2)
d (1/ C2 ) dV
2 LD 2 s2
2
q s NB
30
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。
31
2。耗尽区和耗尽电容- 线性缓变结
杂质分布: