半导体物理学第七章知识点.docx

第 7 章 金属－半导体接触 本章讨论与 pn 结特性有很多相似之处的金－半肖特基势垒接触。金－半肖特基势垒接触的整流效应是半导体物理效应的早期发现之一： §金属半导体接触及其能级图 能脱离金属而逸出体外。要使电子从金属中逸出，必须由外界给它以 00 F m足够的能量。所以，金属中的电子是在一个势阱中运动，如图 7-1 所示。若用 E 表示真空静止电子的能量，金属的功函数定义为E 与 E 能量之差，用W 0 0 F m 增而周期性变化。 2、半导体的功函数 0 S和金属类似，也把E 与费米能级之差称为半导体的功函数，用W 0 S W ? E ? E S 0 FS 因为 E 随杂质浓度变化，所以W 是杂质浓度的函数。 一、金属和半导体的功函数1、金属的功函数在绝对零度，金属中的电子填满了费米能级E 一、金属和半导体的功函数 1、金属的功函数 在绝对零度，金属中的电子填满了费米能级E 以下的所有能级， F 而高于E 的能级则全部是空着的。在一定温度下，只有 E 附近的少数 F F 电子受到热激发，由低于 E 的能级跃迁到高于E 的能级上去，但仍不 F F 图 7-1 金属中的电子势阱 W ? E ? E M 0 FM 它表示从金属向真空发射一个电 子所需要的最小能量。W 越大， M 电子越不容易离开金属。 金属的功函数一般为几个 电子伏特，其中，铯的最低，为； 铂的最高，为 eV。图 7-2 给出了表面清洁的金属的功函数。图中 可见，功函数随着原子序数的递 图 7－2 一些元素的功函数及其原子序数 导体中电子的最高能级是导带底E 。E 与 E 之间的能量间隔 C C 0 ? ? E ? E 0 C 被称为电子亲合能。它表示要使半导体导带底的电子逸出体外所 图 7-3 半导体功函数和电子亲合能 与金属不同，半导体中费米能级一般并不是电子的最高能量状态。如图7-3 所示，非简并半 需要的最小能量。 利用电子亲合能，半导体的功函数又可表示为 W ? ? ? (E S C E ) FS 式中，E =E －E 是费米能级与导带底的能量差。 n C FS W (eV)S材料 W (eV) S 材料 (eV) N （cm-3） D N （cm-3） A 1014 1015 1016 1014 1015 1016 Si Ge GaAs 二、有功函数差的金属与半导体的接触 E 把一块金属和一块半导体放在同一个真空环境之中， 0 W M二者就具有共同的真空静止电子能级，二者的功函数差就 W S E M C E Fm Fm 是它们的费米能级之差，即 W －W ＝E －E 。所以，当 E M S FS FM (a) 有功函数差的金属和半导体相接触时，由于存在费米能级 之差，二者之间就会有电子的转移。 1、金属与n 型半导体的接触 图7-4 W ＞W 的金属－n 型半导体接触前 M S 1）W ＞W 的情况 M S qV D 这意味着半导体的费米能级高于金属的费米能级。该系统接触q前后的能带图如右所示。当二 者紧密接触成为一个统一的电子系统，半导体中的电子将向金属转移，从而降低了金属的电势， (b) 提高了半导体的电势，并在半导体表面形成一层由电离施主构成的带正电的空间电荷层，与流到 金属表面的电子形成一个方向从半导体指向金属的自建电场。由于转移电子在金属表面的分布极 薄，电势变化主要发生在半导体的空间电荷区，使其中的能带发生弯曲，而空间电荷区外的能带 则随同 E 一起下降，直到与金属费米能级处在同一水平上时达到平衡状态，这时不再有电子的 FS 净流动。相对于金属费米能级而言，半导体费米能级下降了 (W －W )，如图 7-4 所示。若以 V m s D 表示这一接触引起的半导体表面与体内的电势差，显然 qV ? W ? W D M S 称 V 为接触势或表面势。qV 也就是电子在半导体一边的势垒高度。电子在金属一边的势垒 D D 高度是 q? ? W M M ? ? (7-9) 以上表明，当金属与n 型半导体接触时，若W ＞W ，则在半导体表面形成一个由电离施主构 M S 成的正空间电荷区，其中电子浓度极低，是一个高阻区域，常称为电子阻挡层。阻挡层内存在方向由体内指向表面的自建电场，它使半导体表面电子的能量高于体内，能带向上弯曲，即形成电子的表面势垒，因此该空间电荷区又称电子势垒。 2）Wm＜Ws 的情况 这时，电子将从金属流向半导体、在半导体表面形成负的空间电荷区。其中电场方向由表面指向体内，能带向下弯曲。这时半导体表面电子浓度比体内大得多，因而是一个高电导区域，称之为反阻挡层。其平衡时的能带图如图7-5 所示。反阻挡层是很薄的高电导层，它对半导体和金属接触电阻的影响是很小的。所以，反阻层与阻挡层不同，在平常的实验中觉察不到它的存