第六章金属/半导体(MS)接触( Contact) 本章我们将介绍金属与半导体接触的能带特征以及载流子在 MS结构中的输运规律。 §61金属半导体接触和肖特基势垒 §62实际肖特基势垒高度的调制 §6.3肖特基二极管及其IV特性 §6.4M/S的欧姆接触 s6.5异质结
第六章 金属/半导体（M/S）接触（Contact Contact） 本章我们将介绍金属与半导体接触的能带特征以及载流子在 M/S结构中的输运规律。 §6.1 金属/半导体接触和肖特基势垒 §6.2 实际肖特基势垒高度的调制 §6.3 肖特基二极管及其IV特性 §6.4 M/S的欧姆接触 §6.5 异质结
§6.1金属半导体接触和肖特基势垒 M/S接触( Contact)为金属(M)与半导体(S)接触形成的 基本结构,通常形成肖特基势垒( Shottky barrier),其中肖特 基势垒是M/S肖特基接触的主要特征。在特定的条件下MS接 触可形成欧姆( Ohmic)型接触。 影响肖特基势垒的因素有:金属和半导体的功函数、金属感应 的镜像电荷产生的镜像势、界面的陷阱态能级及其密度等 6.1.1M/S接触的应用领域 在金属与半导体之间实现低电阻的欧姆接触,可为半导 体器件之间的连接提供的低阻互连 作为整流结(肖特基势垒)器件(肖特基二极管)使用
§6.1 金属/半导体接触和肖特基势垒 6.1.1 M/S接触的应用领域 •在金属与半导体之间实现低电阻的欧姆接触，可为半导 体器件之间的连接提供的低阻互连 •作为整流结（肖特基势垒）器件（肖特基二极管）使用 M/S接触（Contact）为金属（M）与半导体（S）接触形成的 基本结构，通常形成肖特基势垒 (Shottky Barrier)，其中肖特 基势垒是M/S肖特基接触的主要特征。在特定的条件下M/S接 触可形成欧姆（Ohmic）型接触。 影响肖特基势垒的因素有：金属和半导体的功函数、金属感应 的镜像电荷产生的镜像势、界面的陷阱态能级及其密度等
§6.1金属/半导体接触 6.12M/S接触的形成 MS结构通常是通过在干净的半导体表面淀积金属而 形成。利用金属硅化物( Silicide)技术可以优化和 减小接触电阻,有助于形成低电阻欧姆接触。 /OXIDE M POLY-Si 六:; SILICON
§6.1 金属/半导体接触 6.1.2 M/S接触的形成 M/S结构通常是通过在干净的半导体表面淀积金属而 形成。利用金属硅化物（Silicide）技术可以优化和 减小接触电阻，有助于形成低电阻欧姆接触
§6.1金属/半导体接触 6.1,3理想M/S接触的平衡能带图 1.热平衡条件:形成统一的费米能级,即E= Const ●在前面的讨论中,我们已经说明,任意半导体系统 在达到热平衡时,费米能级在空间范围内保持平直, 即E一常数。相关的能带图特征,在非均匀掺杂的半 导体系统(PN结)中已有演示。这一法则在两种不同 类型的材料接触形成的系统中仍然适用。 ●考虑两种材料:金属(M)与半导体(S)形成接触 ,设其各自费米能级分别为En和E。金属的功函数为 dn,半导体的功函数为d,亲和势为x
§6.1 金属/半导体接触 6.1.3 理想M/S接触的平衡能带图 1. 热平衡条件：形成统一的费米能级，即Ef = Const z在前面的讨论中，我们已经说明，任意半导体系统 在达到热平衡时，费米能级在空间范围内保持平直， 即Ef＝常数。相关的能带图特征，在非均匀掺杂的半 导体系统（PN结）中已有演示。这一法则在两种不同 类型的材料接触形成的系统中仍然适用。 z考虑两种材料：金属（M）与半导体（S）形成接触 ，设其各自费米能级分别为Ef1和Ef2。金属的功函数为 φM，半导体的功函数为φS，亲和势为χ
热平衡情形下,M和S之间电子的运动达到动态平衡。 热平衡时,电子从1到2(F12)和从到1(F2为)的 流量应该相等,即 I→2 fpig, (-pag2fD28201-pygr DI JD2 EC=E 其中和f2为电子的费米分布函数,g和g2为电子的态密度
热平衡情形下，M和S之间电子的运动达到动态平衡。 热平衡时，电子从1到2（F1→2）和从2到1（F2 → 1）的 流量应该相等,即 F1 → 2＝F2 → 1 fD1g1(1－fD2)g2＝fD2g2(1－fD1)g1 fD1= fD2 则 Ef1＝Ef2 其中fD1和fD2为电子的费米分布函数，g1和g2为电子的态密度
§6.1金属/半导体接触 2金属和半导体中允态和填充态与能级位置的关系 金属半导体结 金属 半导体 Ef1 Ef2 (E) g(E)一 爱=填充态=/EE =允态=g(E) 金属的E在导带中,有很多自由电子;半导体的E在禁带中 ,价带近满、导带近空
§6.1 金属/半导体接触 金属半导体结 金属 半导体 ＝填充态＝fD(E)g(E) ＝允态＝g(E) 2.金属和半导体中允态和填充态与能级位置的关系 金属的 Ef在导带中，有很多自由电子 ；半导体的 Ef在禁带中 ，价带近满、导带近空
§6.1金属/半导体接触 3.热平衡情形下MS接触的能带图 假设金属与半导体功函数差为:ps=p-如s 且一般情况下:≠0 当金属和半导体形成接触时,如果二者的功函数不同(费米 能级不等),则会发生载流子浓度和电势的再分布,形成肖 特基势垒。通常会出现电子从功函数小(费米能级高)的材 料流向功函数大的材料,直到两材料体内各点的费米能级相 同(即E=常数)为止。半导体体内载流子的再分布会形成 载流子耗尽或积累,并在耗尽区或积累区发生能带弯曲,而 在金属体内的载流子浓度和能带基本没有变化
§6.1 金属/半导体接触 假设金属与半导体功函数差为： 且一般情况下： 当金属和半导体形成接触时，如果二者的功函数不同（费米 能级不等），则会发生载流子浓度和电势的再分布，形成肖 特基势垒。通常会出现电子从功函数小（费米能级高）的材 料流向功函数大的材料，直到两材料体内各点的费米能级相 同（即Ef＝常数）为止。半导体体内载流子的再分布会形成 载流子耗尽或积累，并在耗尽区或积累区发生能带弯曲，而 在金属体内的载流子浓度和能带基本没有变化。 φ = φ −φSMMS ≠ 0 φ MS 3. 热平衡情形下M/S接触的能带图
§6.1金属/半导体接触 4理想MS接触的平衡能带图和肖 mN型半导体特基势垒 PM>ps 肖特基势垒由金属端的高度d E0和半导体的表面势(自建势) n表征。假设金属和半导体形 成理想的肖特基接触,即接触 FM E界面没有陷阱态,则其势垒结 构由金属功函数和半导体的功 函数及亲和势决定。理想肖特 基势垒的结构参数为: qPB=qlem-x) 9o=9ob-EC-E=qom-os)
§6.1 金属/半导体接触 4.理想M/S接触的平衡能带图和肖 特基势垒 肖特基势垒由金属端的高度φB 和半导体的表面势（自建势） φi 表征。假设金属和半导体形 成理想的肖特基接触，即接触 界面没有陷阱态，则其势垒结 构由金属功函数和半导体的功 函数及亲和势决定。理想肖特 基势垒的结构参数为： φ = (φ − χ ) B qq M ( ) ( ) fCBi SM φ = φ − − = qEEqq φ −φ N型半导体 φ M > φ S φ > φSM
§6.1金属/半导体接触 614理想肖特基( Schottky)势垒 半导体表面电子的再分布和半导体表面势的形成,与金属的 功函数相关。MS之间形成的肖特基势垒通常会形成如下图 所示的特征。 中B BM BP g M tr
§6.1 金属/半导体接触 6.1.4 理想肖特基（Schottky）势垒 半导体表面电子的再分布和半导体表面势的形成，与金属的 功函数相关。M/S之间形成的肖特基势垒通常会形成如下图 所示的特征。 x φ = φ MBN − φ = −φ MgBP + xE
§6.1金属/半导体接触 615M/S接触的电势分布和 Poisson方程求解 为简单起见,做以下假设(耗尽近似) n 1)忽略空穴浓度,p=0 E 2)在x=0到x=x的半导体表面势 的范围内,n=0(耗尽近似) 3)当x>x时,n=N(完全电离 4)在空间电荷区总电荷为 0-=qNx irge aV=24=4(n-p)-(N-N)=-N 从任意点x到x=x,积分得 在x=0处,电场ξ取最大值,为: q max 从x到x再次积分得:V()=-4(x2-x) 28
§6.1 金属/半导体接触 6.1.5 M/S接触的电势分布和Poisson方程求解 为简单起见，做以下假设（耗尽近似）： 1）忽略空穴浓度，p＝0 2）在 x＝0 到 x＝xd的半导体表面势 的范围内，n＝0 （耗尽近似） 3）当 x>xd时，n＝Nd（完全电离） 4）在空间电荷区总电荷为 Q=qNdxdA [ ] ( )( ) d Si ad Si N q NNpn q dx d dx d ε ε ξψ −≈−−−=−= 2 2 从任意点 x 到 x＝xd积分得： 在 x=0 处，电场ξ 取最大值，为： 从 x 到 xd再次积分得： ( ) ( ) xx qN x d Si d −−= ε ξ d Si d x qN ε ξ max −= ( ) ( )2 2 xx qN x d Sid −−= ε ψ