第六章半導(dǎo)體表面及同質(zhì)、異質(zhì)接觸

1、第六章第六章 半導(dǎo)體表面及同質(zhì)、異質(zhì)接觸半導(dǎo)體表面及同質(zhì)、異質(zhì)接觸Semiconductor surface and homo-hetero-contactSemiconductor Physics主要內(nèi)容及要求主要內(nèi)容及要求（2課時(shí)）課時(shí)）：* *表面態(tài)及表面電場(chǎng)效應(yīng)表面態(tài)及表面電場(chǎng)效應(yīng)* *半導(dǎo)體同質(zhì)接觸半導(dǎo)體同質(zhì)接觸- -PN結(jié)結(jié)* *MIS結(jié)構(gòu)及電容結(jié)構(gòu)及電容- -電壓特性電壓特性( (C-V) )* *金半接觸及電流整流特性金半接觸及電流整流特性(I-V)(課時(shí)少，但非常重要和課時(shí)少，但非常重要和有用有用，建議加強(qiáng)課后自學(xué)），建議加強(qiáng)課后自學(xué)） 61 表面態(tài)與表面電場(chǎng)效應(yīng)表面態(tài)與表面

2、電場(chǎng)效應(yīng)By increasing miniaturization in semiconductor-device technology, the interface itself is the device!Kroemer, the 2000 Nobel winner of physics1928年出生于德國年出生于德國.1952年獲得德國哥廷根大年獲得德國哥廷根大學(xué)理論物理學(xué)博士學(xué)位學(xué)理論物理學(xué)博士學(xué)位.他的博士論文的題目他的博士論文的題目是在是在晶體管中熱電子晶體管中熱電子的效應(yīng)的效應(yīng),這成為他從事半這成為他從事半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體設(shè)備研究職業(yè)生涯的開端導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體設(shè)備研究職業(yè)生涯的開

3、端.現(xiàn)為加州現(xiàn)為加州圣巴巴拉加州大學(xué)圣巴巴拉加州大學(xué)的物理學(xué)教授。的物理學(xué)教授。 達(dá)姆達(dá)姆在在19321932年用量子力學(xué)嚴(yán)格證明，晶體的自由年用量子力學(xué)嚴(yán)格證明，晶體的自由表面的存在，使得周期性勢(shì)場(chǎng)在表面處發(fā)生中斷，表面的存在，使得周期性勢(shì)場(chǎng)在表面處發(fā)生中斷，引起引起附加能級(jí)附加能級(jí)，電子被局域在表面附近，這種電，電子被局域在表面附近，這種電子狀態(tài)稱為子狀態(tài)稱為表面態(tài)表面態(tài)，所對(duì)應(yīng)的能級(jí)為，所對(duì)應(yīng)的能級(jí)為表面能級(jí)表面能級(jí)。每個(gè)表面原子對(duì)應(yīng)一個(gè)能級(jí)，組成表面能帶每個(gè)表面原子對(duì)應(yīng)一個(gè)能級(jí)，組成表面能帶從從化學(xué)鍵化學(xué)鍵方面分析，在晶體最外層的原子存在未方面分析，在晶體最外層的原子存在未配對(duì)的電子，

4、即未飽和的鍵配對(duì)的電子，即未飽和的鍵懸掛鍵懸掛鍵，與之對(duì)，與之對(duì)應(yīng)的電子能態(tài)就是應(yīng)的電子能態(tài)就是表面態(tài)表面態(tài)。1、未飽和的鍵、未飽和的鍵懸掛鍵懸掛鍵dangling band “理想表面理想表面”就是指表面層中原子排列的對(duì)稱就是指表面層中原子排列的對(duì)稱性與體內(nèi)原子完全相同，且表面上不附著任何性與體內(nèi)原子完全相同，且表面上不附著任何原子或分子的半無限晶體表面。原子或分子的半無限晶體表面。但在實(shí)際中，理想表面是不存在的，即使在絕對(duì)但在實(shí)際中，理想表面是不存在的，即使在絕對(duì)清潔的半導(dǎo)體表面，由于表面對(duì)稱性破壞，原子清潔的半導(dǎo)體表面，由于表面對(duì)稱性破壞，原子所受的勢(shì)場(chǎng)作用完全不同于體內(nèi)，實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到所

5、受的勢(shì)場(chǎng)作用完全不同于體內(nèi)，實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到原子發(fā)生原子發(fā)生再構(gòu)再構(gòu)現(xiàn)象，以達(dá)到能量的最小化?，F(xiàn)象，以達(dá)到能量的最小化。 例如例如，對(duì)硅，對(duì)硅(111)(111)面，在超高真空下可觀察到面，在超高真空下可觀察到(7(77)7)結(jié)構(gòu)，即表面上形成以結(jié)構(gòu)，即表面上形成以(7(77)7)個(gè)硅原子個(gè)硅原子為單元的二維平移對(duì)稱性結(jié)構(gòu)。為單元的二維平移對(duì)稱性結(jié)構(gòu)。硅表面硅表面7 7 7重構(gòu)的原子照片重構(gòu)的原子照片 由于懸掛鍵的存在，表面可與體內(nèi)交換電由于懸掛鍵的存在，表面可與體內(nèi)交換電子和空穴。如子和空穴。如n型硅型硅的清潔表面帶的清潔表面帶負(fù)電負(fù)電。如下圖所示：如下圖所示：SiSiSiSiSiSi硅表面懸掛

6、鍵示意圖硅表面懸掛鍵示意圖表面懸掛鍵表面懸掛鍵1015cm-2 從硅表面態(tài)的從硅表面態(tài)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，證實(shí)其表面能級(jí)中，證實(shí)其表面能級(jí)由兩組組成：由兩組組成：一組為一組為施主能級(jí)施主能級(jí)，靠近價(jià)帶；，靠近價(jià)帶；另一組為另一組為受主能級(jí)受主能級(jí)，靠近導(dǎo)帶。，靠近導(dǎo)帶。除了上述表面態(tài)外，在表面處還存在由于晶體晶體缺陷缺陷或吸附原子吸附原子等原因引起的表面態(tài)。2、表面缺陷和吸附原子、表面缺陷和吸附原子 目前，對(duì)硅表面態(tài)的研究比較多，表面態(tài)在禁帶目前，對(duì)硅表面態(tài)的研究比較多，表面態(tài)在禁帶的分布有一定的了解，但對(duì)具體的工藝重復(fù)性比的分布有一定的了解，但對(duì)具體的工藝重復(fù)性比較差，最急待研究的是較差，

7、最急待研究的是族化合物半導(dǎo)體的族化合物半導(dǎo)體的表面態(tài)情況，對(duì)微電子的發(fā)展具有重要意義。表面態(tài)情況，對(duì)微電子的發(fā)展具有重要意義。這種表面態(tài)的特點(diǎn)是，其表面態(tài)的大小與表面經(jīng)這種表面態(tài)的特點(diǎn)是，其表面態(tài)的大小與表面經(jīng)過的處理方法有關(guān)；而達(dá)姆表面態(tài)對(duì)給定的晶體過的處理方法有關(guān)；而達(dá)姆表面態(tài)對(duì)給定的晶體在在“潔凈潔凈”表面時(shí)為一定值大約為表面時(shí)為一定值大約為10101515cmcm-2-2( (每個(gè)每個(gè)表面原子對(duì)應(yīng)禁帶中的一個(gè)能級(jí)表面原子對(duì)應(yīng)禁帶中的一個(gè)能級(jí)) )，實(shí)際上由于，實(shí)際上由于表面被其它原子覆蓋，表面態(tài)比該值小得多，為表面被其它原子覆蓋，表面態(tài)比該值小得多，為1010101010101515c

8、mcm-2-2 。表面態(tài)對(duì)半導(dǎo)體各中物理過程有重要影響，特別表面態(tài)對(duì)半導(dǎo)體各中物理過程有重要影響，特別是對(duì)許多是對(duì)許多半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件的性能影響更大。的性能影響更大。3、表面態(tài)的影響、表面態(tài)的影響 4. 表表 面面 電電 場(chǎng)場(chǎng) 效效 應(yīng)應(yīng)在外加電場(chǎng)作用下，在半導(dǎo)體的在外加電場(chǎng)作用下，在半導(dǎo)體的表面層表面層內(nèi)發(fā)生的內(nèi)發(fā)生的物理現(xiàn)象，主要載流子的物理現(xiàn)象，主要載流子的輸運(yùn)性質(zhì)輸運(yùn)性質(zhì)的改變。的改變。可以采用可以采用不同方法不同方法，使得半導(dǎo)體表面層，使得半導(dǎo)體表面層內(nèi)產(chǎn)生電內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)，場(chǎng)，如：如：功函數(shù)不同的金屬和半導(dǎo)體接觸（功函數(shù)不同的金屬和半導(dǎo)體接觸（金金/半接觸半接觸）、使半導(dǎo)體表面吸附

9、某種帶電的離子、）、使半導(dǎo)體表面吸附某種帶電的離子、金屬金屬/絕緣體絕緣體/半導(dǎo)體半導(dǎo)體(MIS)結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)等。 62 金屬金屬/ /半導(dǎo)體接觸及半導(dǎo)體接觸及I-VI-V特性特性2、MESFET( metal-semiconductor field-effect transistor) 具有與具有與MOSFET相似的相似的電流電壓電流電壓特性特性，但在器件的柵，但在器件的柵(gate)上電極部分利用金屬上電極部分利用金屬半導(dǎo)體的整流接觸取代了半導(dǎo)體的整流接觸取代了MOSFET的的MOS結(jié)結(jié)構(gòu)；用歐姆接觸取代構(gòu)；用歐姆接觸取代MOSFET的的p-n結(jié)。結(jié)。一、概述：一、概述：1 1、在微電子和

10、光電子器件中，半導(dǎo)體材料和、在微電子和光電子器件中，半導(dǎo)體材料和金金屬屬、半導(dǎo)體以及、半導(dǎo)體以及絕緣體絕緣體的各種接觸是普遍存在的各種接觸是普遍存在的，如的，如MOS器件、肖特基二極管、氣體傳感器器件、肖特基二極管、氣體傳感器等。薄膜技術(shù)及納米技術(shù)的發(fā)展，使得等。薄膜技術(shù)及納米技術(shù)的發(fā)展，使得界面接界面接觸觸顯得更加重要。顯得更加重要。3 3、第一個(gè)實(shí)際的半導(dǎo)體器件就是點(diǎn)接觸整流性、第一個(gè)實(shí)際的半導(dǎo)體器件就是點(diǎn)接觸整流性的金半接觸，就是將細(xì)須狀金屬壓在半導(dǎo)體表面的金半接觸，就是將細(xì)須狀金屬壓在半導(dǎo)體表面。從。從19041904年起，該器件有許多不同的應(yīng)用。年起，該器件有許多不同的應(yīng)用。1938

11、年，年，Schottky提出其整流作用，可能由半導(dǎo)提出其整流作用，可能由半導(dǎo)體中穩(wěn)定的體中穩(wěn)定的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)所產(chǎn)生的電勢(shì)能差引起的，所產(chǎn)生的電勢(shì)能差引起的，由此所建立的模型稱肖特基勢(shì)壘（由此所建立的模型稱肖特基勢(shì)壘（Schottky barrier).4、兩個(gè)要點(diǎn)兩個(gè)要點(diǎn)：功函數(shù)和禁帶寬度的不同金屬功函數(shù)和禁帶寬度的不同金屬/半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體接觸能帶能帶圖圖的變化；的變化；肖特基接觸的整流特性即電流電壓肖特基接觸的整流特性即電流電壓I-V特性。特性。二、金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)二、金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)Wm 、Ws1 1、金屬的功函數(shù)、金屬的功函數(shù)Wm表示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由表

12、示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由金屬內(nèi)部逸出到表面外的真空中所需要的金屬內(nèi)部逸出到表面外的真空中所需要的最最小能量小能量。E0(EF)mWm0()mFmWEE即：E0為真空中靜止電子的為真空中靜止電子的能量，又稱為真空能級(jí)。能量，又稱為真空能級(jí)。 金屬銫金屬銫Cs的功函數(shù)最低的功函數(shù)最低1.93eV，PtPt最高為最高為5.36eV2 2、半導(dǎo)體的功函數(shù)、半導(dǎo)體的功函數(shù)WsE0與費(fèi)米能級(jí)之差稱為半導(dǎo)體與費(fèi)米能級(jí)之差稱為半導(dǎo)體的功函數(shù)。的功函數(shù)。0()sFsWEE即：用用表示從表示從Ec到到E0的能量間隔：的能量間隔：0cEE稱稱為電子的為電子的親和能親和能，它表示要使半導(dǎo)體，它表示要使半導(dǎo)

13、體導(dǎo)帶導(dǎo)帶底底的電子逸出體外所需要的的電子逸出體外所需要的最小最小能量。能量。Ec(EF)sEvE0WsEn N型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：scFnsWEEE式中：式中：()ncFsEEE P型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：()pFsvEEE()soFsgpWEEEE式中：式中：Note: 和金屬不同的是，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)隨雜和金屬不同的是，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)隨雜質(zhì)濃度變化，所以，質(zhì)濃度變化，所以，Ws也和也和雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度有關(guān)有關(guān)。Ec(EF)sEvE0WsEn半導(dǎo)體半導(dǎo)體金屬金屬半導(dǎo)體半導(dǎo)體金屬金屬What?能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化新的物理效應(yīng)新的物理效應(yīng)和應(yīng)用和應(yīng)用3 3、金屬、金屬/ /半導(dǎo)體接觸

14、半導(dǎo)體接觸三、金屬與半導(dǎo)體的接觸及接觸電勢(shì)差三、金屬與半導(dǎo)體的接觸及接觸電勢(shì)差1. 阻擋層阻擋層接觸接觸金金屬屬n半導(dǎo)半導(dǎo)體體mWFmEsWnEvEcEFsE0E設(shè)想有一塊金屬和一塊設(shè)想有一塊金屬和一塊n型型半導(dǎo)體，并假定半導(dǎo)體，并假定金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)，即：金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)，即：（1）msWW即半導(dǎo)體的費(fèi)米能即半導(dǎo)體的費(fèi)米能EFs高于金屬的費(fèi)米能高于金屬的費(fèi)米能EFm金屬的傳導(dǎo)電子的濃度金屬的傳導(dǎo)電子的濃度很高很高，10221023cm-3半導(dǎo)體載流子的濃度比半導(dǎo)體載流子的濃度比較低較低，10101019cm-3金屬半導(dǎo)體接觸前后金屬半導(dǎo)體接觸前后能帶圖能帶圖的變化

15、：的變化：接觸后接觸后，金屬和半導(dǎo)體的費(fèi)，金屬和半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)應(yīng)該在同一水平，半米能級(jí)應(yīng)該在同一水平，半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子必然必然要流向要流向金屬，而達(dá)到統(tǒng)一的費(fèi)米能金屬，而達(dá)到統(tǒng)一的費(fèi)米能接觸前接觸前，半導(dǎo)體的費(fèi)米能，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)高于金屬（相對(duì)于真空級(jí)高于金屬（相對(duì)于真空能級(jí)），所以半導(dǎo)體導(dǎo)帶能級(jí)），所以半導(dǎo)體導(dǎo)帶的電子有向金屬流動(dòng)的的電子有向金屬流動(dòng)的可可能能WmEFmWsE0EcEFsEv接觸前接觸前接觸后接觸后qVDEFEFEvEcmqxdE0在接觸在接觸開始開始時(shí)，金屬和半導(dǎo)體的間距大于原子的時(shí)，金屬和半導(dǎo)體的間距大于原子的間距，在兩類材料的表面形成電勢(shì)差間距，在兩類

16、材料的表面形成電勢(shì)差Vms。smmsmsWWVVVq接觸電勢(shì)差：接觸電勢(shì)差：緊密接觸緊密接觸后，電荷的流動(dòng)使得在半導(dǎo)體表面相當(dāng)后，電荷的流動(dòng)使得在半導(dǎo)體表面相當(dāng)厚的一層形成正的厚的一層形成正的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)形成?？臻g電荷區(qū)形成電場(chǎng)，其電場(chǎng)在界面處造成電場(chǎng)，其電場(chǎng)在界面處造成能帶彎曲能帶彎曲，使得半導(dǎo)，使得半導(dǎo)體表面和內(nèi)部存在體表面和內(nèi)部存在電勢(shì)差電勢(shì)差，即，即表面勢(shì)表面勢(shì)Vs。接觸電。接觸電勢(shì)差分降在勢(shì)差分降在空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)和金屬與半導(dǎo)體和金屬與半導(dǎo)體表面之間表面之間。但當(dāng)忽略接觸間隙時(shí)，電勢(shì)主要降在。但當(dāng)忽略接觸間隙時(shí)，電勢(shì)主要降在空間電荷空間電荷區(qū)區(qū)。現(xiàn)在考慮忽略間

17、隙中的電勢(shì)差時(shí)的現(xiàn)在考慮忽略間隙中的電勢(shì)差時(shí)的極限極限情形情形:半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度為：半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度為：DsmsqVqVWW 金屬一邊的勢(shì)壘高度為：金屬一邊的勢(shì)壘高度為：mnDnsnmsnmqqVEqVEWWEW 半導(dǎo)體體內(nèi)電場(chǎng)為零，在空半導(dǎo)體體內(nèi)電場(chǎng)為零，在空間電荷區(qū)電場(chǎng)方向間電荷區(qū)電場(chǎng)方向由內(nèi)向外由內(nèi)向外，半導(dǎo)體表面勢(shì)半導(dǎo)體表面勢(shì)Vs0mqEFEvqVDEcE電場(chǎng)電場(chǎng)在勢(shì)壘區(qū)，空間電荷主要由電離施主形成，電子在勢(shì)壘區(qū)，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度比體內(nèi)小得多，是一個(gè)高阻區(qū)域，稱為濃度比體內(nèi)小得多，是一個(gè)高阻區(qū)域，稱為阻擋阻擋層層。界面處的勢(shì)壘通常稱為。界面處的勢(shì)壘通常稱為肖

18、特基勢(shì)壘。肖特基勢(shì)壘。mqEFEvqVDEcE電場(chǎng)電場(chǎng)所以：所以：金屬與金屬與N型型半導(dǎo)體接觸時(shí)半導(dǎo)體接觸時(shí)，若，若WmWs，即半導(dǎo)體，即半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)高于金屬，電的費(fèi)米能級(jí)高于金屬，電子向金屬流動(dòng)，穩(wěn)定時(shí)系子向金屬流動(dòng)，穩(wěn)定時(shí)系統(tǒng)費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)一，在半導(dǎo)統(tǒng)費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)一，在半導(dǎo)體表面一層形成體表面一層形成正的空間正的空間電荷區(qū)電荷區(qū)，能帶向上彎曲，能帶向上彎曲，形成電子的表面勢(shì)壘。形成電子的表面勢(shì)壘。金屬與金屬與P型型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若半導(dǎo)體接觸時(shí)，若WmWs，即金屬，即金屬的費(fèi)米能級(jí)比半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)高，半導(dǎo)體的的費(fèi)米能級(jí)比半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)高，半導(dǎo)體的多子空穴多子空穴流向金屬，使得金屬表面帶正電

19、，半流向金屬，使得金屬表面帶正電，半導(dǎo)體表面帶導(dǎo)體表面帶負(fù)電負(fù)電，半導(dǎo)體表面能帶向下彎曲，半導(dǎo)體表面能帶向下彎曲，形成空穴的形成空穴的表面勢(shì)壘表面勢(shì)壘。（2）金屬）金屬p型型半導(dǎo)體接觸的阻擋層半導(dǎo)體接觸的阻擋層在半導(dǎo)體的勢(shì)壘區(qū)，在半導(dǎo)體的勢(shì)壘區(qū)，空間電荷空間電荷主要由負(fù)的電離受主要由負(fù)的電離受主形成，其多子空穴濃度比體內(nèi)小得多，也是一主形成，其多子空穴濃度比體內(nèi)小得多，也是一個(gè)高阻區(qū)域，形成空穴個(gè)高阻區(qū)域，形成空穴阻擋層阻擋層。金屬和金屬和p型型半導(dǎo)體半導(dǎo)體WmWs金屬與金屬與P型型半導(dǎo)體半導(dǎo)體, , WmWs阻擋層阻擋層2. 2. 反阻擋層接觸反阻擋層接觸金屬與金屬與N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若型半

20、導(dǎo)體接觸時(shí)，若Wm0，能帶向，能帶向下彎曲。這里電子濃度比體內(nèi)大得多，因而是一下彎曲。這里電子濃度比體內(nèi)大得多，因而是一個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，稱之為反阻擋層，即電子反阻個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，稱之為反阻擋層，即電子反阻擋層。擋層。（1 1）金屬與）金屬與N型型半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體接觸WmEFmWsE0EcEFsEvEEcEFsEvmsDWWqVDx金屬金屬 /n型型半導(dǎo)體接觸前后電子反阻擋層形成半導(dǎo)體接觸前后電子反阻擋層形成能帶圖能帶圖的變化：的變化：在半導(dǎo)體表面，能帶向下彎曲，相當(dāng)有個(gè)電子的在半導(dǎo)體表面，能帶向下彎曲，相當(dāng)有個(gè)電子的勢(shì)阱勢(shì)阱, 多子電子的濃度比體內(nèi)大得多，是一個(gè)高通多子電子的濃度比體內(nèi)大得多，

21、是一個(gè)高通區(qū)，即電子的區(qū)，即電子的反阻擋層高導(dǎo)通區(qū)反阻擋層高導(dǎo)通區(qū)。（。（很薄很?。。。? 2）金屬與）金屬與P型型半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體接觸金屬與金屬與P P型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若WmWs，空穴將從金屬流，空穴將從金屬流向半導(dǎo)體表面，在半導(dǎo)體表面形成正的空間電荷區(qū)，電向半導(dǎo)體表面，在半導(dǎo)體表面形成正的空間電荷區(qū)，電場(chǎng)方向由體內(nèi)指向表面，場(chǎng)方向由體內(nèi)指向表面，VsWs阻擋層阻擋層反阻擋層反阻擋層Wm勢(shì)壘頂部時(shí)，電子可以自由越過勢(shì)壘進(jìn)勢(shì)壘頂部時(shí)，電子可以自由越過勢(shì)壘進(jìn)入另一邊入另一邊 。電流的計(jì)算即。電流的計(jì)算即求越過勢(shì)壘的載流子數(shù)求越過勢(shì)壘的載流子數(shù)目。目。 以以非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的非簡(jiǎn)

22、并半導(dǎo)體的n n型阻擋層為例，型阻擋層為例，qVqVD Dk k0 0T T，通過勢(shì)壘交換的電子很少，體內(nèi)的電子，通過勢(shì)壘交換的電子很少，體內(nèi)的電子濃度視為濃度視為常數(shù)常數(shù)，與電流無關(guān)。，與電流無關(guān)。當(dāng)當(dāng)n n型阻擋層型阻擋層很薄很薄時(shí)，即電子的平均自由程大于時(shí)，即電子的平均自由程大于勢(shì)壘寬度。擴(kuò)散理論不再適合了。勢(shì)壘寬度。擴(kuò)散理論不再適合了。電子通過勢(shì)電子通過勢(shì)壘區(qū)的碰撞可以忽略。壘區(qū)的碰撞可以忽略。規(guī)定電流的規(guī)定電流的正方向正方向是從金屬到半導(dǎo)體是從金屬到半導(dǎo)體 sFqExms1dnqvJx方向輸運(yùn)假設(shè)電子沿電子流密度方向和電流方向相反電子流密度方向和電流方向相反 Jsm時(shí)（正向電流）時(shí)（

23、正向電流）EFnsqsqDqVVx能量范圍內(nèi)的電子數(shù)在dEEE dEEfEgdn電子的電子的狀態(tài)密度狀態(tài)密度和和分布函數(shù)分布函數(shù) 2240021323*dEeEEehmTkEEcTkEEncFc考慮非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的情況考慮非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的情況,分布函數(shù)為分布函數(shù)為Boltzmann分布：分布：dEeEEhmTkEEcnF021323*24dn所以：所以： 3212*vmEEnc利用 4*vdvmdEnTkEEcFceNn00又TkEEnFcehTkm03230*22dveTkmndnTkvmnn02*2230*02則 520222*2230*0zyxTkvvvmndvdvdveTkmnzyxn單位

24、截面秒 11xvdndN 620222*2230*0zyxxTkvvvmndvdvdvveTkmnzyxnxV 的正方向選取垂直于界面，由半導(dǎo)體指向金屬所以，在單位時(shí)間內(nèi)，通過單位截面積，在VxVx+dVx范圍的電子可以到達(dá)金半界面。VVqvm21D2x*n到達(dá)界面的電子的動(dòng)能 7002*TkqVTkqeeTAns*2minnDxmVVqv即電子的最小速度00222*20*02xzyxnvxTkvvvmxyyndvevdvdvTkmqnsFqExmsdnqvJ于是電子流密度電子流密度2034nqm kAh其中，有效理查遜常數(shù) 800smmsJJV時(shí) 902*TkqnseTA0VJJmssm從而

25、 Jms時(shí)（反向電流）時(shí)（反向電流）nsmsmsJJ電子從金屬到半導(dǎo)體所面臨的勢(shì)壘高度是不隨外加電壓而變化的，所以從金屬到半導(dǎo)體的電子流所形成的電流密度是個(gè)常量。它與熱平衡條件下，V0時(shí)的大小相等，方向相反。smmsJJJ 1102*TkqSTnseTAJ其中 1010TkqVSTeJnsns是是金屬一邊的電子勢(shì)壘金屬一邊的電子勢(shì)壘 總的電流密度總的電流密度J 討論：討論：擴(kuò)散理論：擴(kuò)散理論：0exp() 1,SDSDqVJJJVk T熱電子發(fā)射理論：熱電子發(fā)射理論：0exp() 1,STSTqVJJJk T和外加電壓無關(guān)Ge、Si、GaAs都有較高的載流子遷移率，即較都有較高的載流子遷移率，

26、即較大的平均自由程，在室溫時(shí)，其肖特基勢(shì)壘中的大的平均自由程，在室溫時(shí)，其肖特基勢(shì)壘中的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)，主要是多數(shù)載流子的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)，主要是多數(shù)載流子的熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射五、歐姆接觸五、歐姆接觸定義定義：金金/半接觸的半接觸的非整流接觸，非整流接觸，即不產(chǎn)生明顯的附即不產(chǎn)生明顯的附加電阻，不會(huì)使半導(dǎo)體體內(nèi)的平衡載流子濃度發(fā)生明加電阻，不會(huì)使半導(dǎo)體體內(nèi)的平衡載流子濃度發(fā)生明顯的改變。顯的改變。應(yīng)用：應(yīng)用：半導(dǎo)體器件中利用電極進(jìn)行電流的輸入和輸出半導(dǎo)體器件中利用電極進(jìn)行電流的輸入和輸出就要求金屬和半導(dǎo)體接觸形成良好的歐姆接觸。在超就要求金屬和半導(dǎo)體接觸形成良好的歐姆接觸。在超高頻和大功率的器件中

27、，歐姆接觸時(shí)設(shè)計(jì)和制造的關(guān)高頻和大功率的器件中，歐姆接觸時(shí)設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵。鍵。實(shí)現(xiàn)：實(shí)現(xiàn)：不考慮表面態(tài)的影響，金半接觸形成不考慮表面態(tài)的影響，金半接觸形成反阻擋層反阻擋層，就可以實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。實(shí)際中，由于有很高的表面態(tài)，就可以實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。實(shí)際中，由于有很高的表面態(tài)，主要用主要用隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制造的歐姆接觸。半導(dǎo)體制造的歐姆接觸。半導(dǎo)體半導(dǎo)體重?fù)诫s重?fù)诫s導(dǎo)致明顯的導(dǎo)致明顯的隧穿電流隧穿電流，而實(shí)現(xiàn)，而實(shí)現(xiàn)歐姆接觸：歐姆接觸：半導(dǎo)體摻雜濃度很高時(shí)，金半接觸的勢(shì)壘區(qū)的寬度變半導(dǎo)體摻雜濃度很高時(shí)，金半接觸的勢(shì)壘區(qū)的寬度變得得很薄很薄，電子會(huì)通過隧道效應(yīng)穿過勢(shì)壘產(chǎn)生相當(dāng)大的，電子會(huì)通

28、過隧道效應(yīng)穿過勢(shì)壘產(chǎn)生相當(dāng)大的隧穿電流，甚至?xí)^隧穿電流，甚至?xí)^熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射電流成為電流的主電流成為電流的主要部分。當(dāng)隧穿電流占主要成份時(shí)，接觸電阻會(huì)很小，要部分。當(dāng)隧穿電流占主要成份時(shí)，接觸電阻會(huì)很小，可以用作歐姆接觸?？梢杂米鳉W姆接觸。常用的方法常用的方法：在：在n型或型或p型半導(dǎo)體上制作一層重?fù)诫s型半導(dǎo)體上制作一層重?fù)诫s區(qū)再與金屬接觸，形成金屬區(qū)再與金屬接觸，形成金屬n+n 或金屬或金屬p+p 結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。使得金屬的選擇很多。電子束和熱使得金屬的選擇很多。電子束和熱蒸發(fā)蒸發(fā)、濺射濺射、電鍍電鍍。D0qN2DrVXc歐姆接觸可以通過金屬半導(dǎo)體形成反阻擋層或隧歐姆接觸可以通過金

29、屬半導(dǎo)體形成反阻擋層或隧道效應(yīng)制造。實(shí)際生產(chǎn)中，主要利用隧道效應(yīng)在道效應(yīng)制造。實(shí)際生產(chǎn)中，主要利用隧道效應(yīng)在半導(dǎo)體上制造歐姆接觸。半導(dǎo)體上制造歐姆接觸。VJ 6.3 MIS結(jié)構(gòu)及電容結(jié)構(gòu)及電容-電壓特性電壓特性(C-V)：（1 1）Wm=Ws；（2 2）絕緣層內(nèi)無可移動(dòng)絕緣層內(nèi)無可移動(dòng)電荷且絕緣層不導(dǎo)電；電荷且絕緣層不導(dǎo)電；（3 3）絕緣層與半導(dǎo)體絕緣層與半導(dǎo)體 界面處不存在界面態(tài)。界面處不存在界面態(tài)。MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)等效電路等效電路表面電場(chǎng)表面電場(chǎng)導(dǎo)致電容導(dǎo)致電容如何產(chǎn)生如何產(chǎn)生?一一. 理想理想MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)由于由于MIS結(jié)構(gòu)是一個(gè)結(jié)構(gòu)是一個(gè)電容電容，當(dāng)在金屬與半導(dǎo)體之，當(dāng)在金屬與半導(dǎo)體之間

30、加電壓后，在金屬與半導(dǎo)體相對(duì)的兩個(gè)面上間加電壓后，在金屬與半導(dǎo)體相對(duì)的兩個(gè)面上就要被就要被充放電充放電。但和一般意義的電容不一樣！。但和一般意義的電容不一樣！在在金屬金屬中，自由電子密度很高，電荷基本上分中，自由電子密度很高，電荷基本上分布在很薄的一個(gè)原子層的厚度范圍之內(nèi)布在很薄的一個(gè)原子層的厚度范圍之內(nèi)；而在而在半導(dǎo)體半導(dǎo)體中，由于自由載流子密度低得多，中，由于自由載流子密度低得多，電荷必須分布在一定厚度的表面層內(nèi)；這個(gè)帶電荷必須分布在一定厚度的表面層內(nèi)；這個(gè)帶電的表面層稱做電的表面層稱做空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)space charge region。1、空間電荷層及表面勢(shì)、空間電荷層及表面勢(shì)金

31、屬的傳導(dǎo)電子的濃度金屬的傳導(dǎo)電子的濃度很高很高，10221023cm-3半導(dǎo)體載流子的濃度比半導(dǎo)體載流子的濃度比較低較低，10101019cm-3首先首先，在空間電荷區(qū)內(nèi)，從半導(dǎo)體的表面到體，在空間電荷區(qū)內(nèi)，從半導(dǎo)體的表面到體內(nèi)，電場(chǎng)逐漸減弱，到空間電荷區(qū)的另一端，內(nèi)，電場(chǎng)逐漸減弱，到空間電荷區(qū)的另一端，電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度減小到零。減小到零。其次其次，空間電荷區(qū)的電勢(shì)也要隨距離逐漸變化，空間電荷區(qū)的電勢(shì)也要隨距離逐漸變化化，半導(dǎo)體表面相對(duì)體內(nèi)就產(chǎn)生化，半導(dǎo)體表面相對(duì)體內(nèi)就產(chǎn)生電勢(shì)差電勢(shì)差?？臻g電荷區(qū)對(duì)空間電荷區(qū)對(duì)電場(chǎng)電場(chǎng)、電勢(shì)電勢(shì)與與能帶能帶的影響：的影響：最后最后，電勢(shì)的變化，使得電子在空間電

32、荷區(qū)的能，電勢(shì)的變化，使得電子在空間電荷區(qū)的能量改變，從而導(dǎo)致量改變，從而導(dǎo)致能帶的彎曲能帶的彎曲。表面空間電荷區(qū)內(nèi)能帶的彎曲表面空間電荷區(qū)內(nèi)能帶的彎曲界面界面EcEiEFEvxEg半導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體絕緣體BqVsqVqVVg0時(shí)時(shí): p-type or n-type Si 表面勢(shì)表面勢(shì)surface potential及空間區(qū)內(nèi)電荷及空間區(qū)內(nèi)電荷space charge的分布情況的分布情況, ,隨金屬與半導(dǎo)體間隨金屬與半導(dǎo)體間所加的電壓所加的電壓VG(gate voltage)而變化，主要可而變化，主要可歸納為歸納為堆積堆積accumulation、耗盡、耗盡depletion和和反型反型i

33、nversion三種三種情況情況: :稱空間電荷層兩端的電勢(shì)差為稱空間電荷層兩端的電勢(shì)差為表面勢(shì)表面勢(shì)，以，以 表示之。規(guī)定表面勢(shì)比內(nèi)部高時(shí)，取表示之。規(guī)定表面勢(shì)比內(nèi)部高時(shí)，取正值正值，反之，反之 取取負(fù)值負(fù)值。SVSV（1 1） 多數(shù)載流子堆積狀態(tài)多數(shù)載流子堆積狀態(tài)（2 2） 多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)（3 3） 少數(shù)載流子反型少數(shù)載流子反型狀態(tài)狀態(tài)在在VG0時(shí)，理想半導(dǎo)體的能帶不發(fā)生彎時(shí)，理想半導(dǎo)體的能帶不發(fā)生彎曲，即曲，即平帶狀態(tài)平帶狀態(tài)flat-band condition，有時(shí)也，有時(shí)也稱為一種狀態(tài)。稱為一種狀態(tài)。例如，對(duì)于p p型半導(dǎo)體，有三種情況：一般情況討論一般情況討

34、論,以以p型型半導(dǎo)體為例：半導(dǎo)體為例：EviEciEiEvEcEFsEFmdx0+VGp p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體表面感生一個(gè)荷負(fù)電的空間電荷層表面感生一個(gè)荷負(fù)電的空間電荷層qVsEcEvEF表面勢(shì)為正，表面處能帶向下彎曲，越接表面勢(shì)為正，表面處能帶向下彎曲，越接近表面。費(fèi)米能離價(jià)帶越遠(yuǎn)，近表面。費(fèi)米能離價(jià)帶越遠(yuǎn)，表面勢(shì)及空間電荷區(qū)內(nèi)電荷的分布情況，隨金表面勢(shì)及空間電荷區(qū)內(nèi)電荷的分布情況，隨金屬與半導(dǎo)體間所加的電壓屬與半導(dǎo)體間所加的電壓VG變化，可分為：變化，可分為：VG 0 0時(shí)，時(shí)，多子積累狀態(tài)；多子積累狀態(tài)；VG 0 0時(shí)，平帶狀態(tài)；時(shí)，平帶狀態(tài)；VG 0 0時(shí)，多子耗盡狀態(tài)；時(shí)，多子耗盡狀態(tài)

35、；VG 0 0時(shí)，少子反型狀態(tài)；時(shí)，少子反型狀態(tài)；當(dāng)外加電壓變化時(shí)，如前面所述：當(dāng)外加電壓變化時(shí)，如前面所述：2.理想理想MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)C-V特性特性小結(jié)小結(jié)：（1 1）半導(dǎo)體材料及絕緣層材料一定時(shí)，）半導(dǎo)體材料及絕緣層材料一定時(shí)，C-V 特性將隨絕緣層厚度特性將隨絕緣層厚度do及半導(dǎo)體雜質(zhì)濃度及半導(dǎo)體雜質(zhì)濃度NA而變化；而變化；（2）C-V特性與頻率有關(guān)，尤其是反型層時(shí)特性與頻率有關(guān)，尤其是反型層時(shí) 的的C-V曲線的形狀。曲線的形狀。1 1、金屬與半導(dǎo)體、金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差功函數(shù)差對(duì)對(duì)C-V特性的影響特性的影響在實(shí)際的在實(shí)際的MIS結(jié)構(gòu)中，存在一些因素影響著結(jié)構(gòu)中，存在一些因素影響著MIS

36、的的C-V特性，如：金屬和半導(dǎo)體之間的特性，如：金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)的差功函數(shù)的差、絕緣層絕緣層中的電荷等。中的電荷等。 例：以例：以Al/SiO2/P-type-SiAl/SiO2/P-type-Si 的的MOSMOS結(jié)構(gòu)為例：結(jié)構(gòu)為例： P P型硅的功函數(shù)一般較鋁大，型硅的功函數(shù)一般較鋁大， 當(dāng)當(dāng)WmWs時(shí)，將導(dǎo)致時(shí)，將導(dǎo)致C-V特特性向負(fù)柵壓方向移動(dòng)。性向負(fù)柵壓方向移動(dòng)。Why?二二.實(shí)際實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)C-V特性：特性：結(jié)構(gòu)還未連接時(shí)：結(jié)構(gòu)還未連接時(shí)：WsEcEvSiO2EFsWmWsEcEvSiO2EFmEFsEo結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)連通連通后后,且且VG=0時(shí)：時(shí)：WmEFmEFsWsEcEvEoSiO2電子將從金屬流向半電子將從金屬流向半導(dǎo)體中，會(huì)在導(dǎo)體中，會(huì)在p型硅的型硅的表面形成帶表面形成帶負(fù)電的空間負(fù)電的空間電荷層電荷層，而在金屬表面，而在金屬表面產(chǎn)生正電荷，這些正電產(chǎn)生正電荷，這些正電荷在荷在SiO2和和Si表面層內(nèi)表面層內(nèi)產(chǎn)生指向半導(dǎo)體內(nèi)部的產(chǎn)生指向半