第七章 金属和半导体接触 (2)

源
栅极
漏


作业： P50，7-2、7-5

y
整流效应（单向导电）的 金属和半导体接触，称为 肖特基接触；具线性和对 称的电压电流关系为欧姆 接触。
x


7.1.3 金属-半导体接触的能带 金属-半导体接触，费米能级通过功函数表示，功函数大， 费米能级Ef位置低，功函数小，费米能级Ef位置高。 （1）金属-N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，费米能级 差等于功函数差。






7.1.1 功函数的概念 固体中的共有化电子虽然能在固体中自由运动，但绝大 多数所处的能级都低于体外能级。要使电子从固体中逸 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体 外自由空间所作的功。（逸出功） 真空 W=E0-Ef E0 E0: 真空中的静止电子能量； Ef : 费米能级。
EFf m E
固体



（1）金属材料的功函数 绝对零度时，金属中的电子填满了费米能级 EF以下的所 有能级，而高于 EF的能级则全部是空着的。 一定温度下，只有EF附近的少数电子受到热激发，由低 于 EF的能级跃迁到高于EF的能级上去，但是绝大部分电 子仍不能脱离金属而逸出体外。 一个电子从金属跃迁到体外所需最小能量Wm： 真空 Wm=E0-Efm E0
真空
E0 Ws
半导体费米能级与半导体 型号和杂质浓度有关，功 函数也与半导体型号和杂 质浓度有关。
Ec
EF s
半导体

由于p型半导体的费米能级较低，所以功函数比n型半导 体大； p型半导体的杂质浓度越高功函数越大，n型半导体则相 反。

外加电压对n型阻挡层的影响 (a)V=0；(b)V>0；(c) V<0
(Wm>Ws)，(Vs)0<0（表面势）
(a) 平衡时，净电流为零 (b) 半导体势垒由qVD=－q(Vs)0降低为－q[(Vs)0+V]，形成正向电流 (c) 金属势垒高（恒定），电流很小，随V的增加达到饱和，形成反向电流
金属和n型半导体接触能带图 金属和n型半导体接触反阻挡层
p-n结电流电压方程（利用连续性方程）
J Jsexpkq0TV1
肖克莱方程式
正向：J

Js
exp
qV k0T

(k0T/q)≈0.026V
exp

qV k0T
1
反向：J Js 反向饱和
Js
qnpL0D n n

pn0Dp Lp
势垒或势阱高度与 EF,(EFs )有关
半导体表面态密度足够高，平衡时半导体费米能级被锁定在
(
E
s F
)
巴丁模型
半导体表面处的禁带中 表面态 表面能级 施主和受主型表面态 一般 而言
表面态在表面禁带中形成一定的分布，存 在距离价带顶为qΦ0的能级，电子正好填 满qΦ0 以下的所有表面态时表面呈电中性
p型阻挡层：
金属接负，半导体接正时形成从半导体到金属的空穴流（正向电流） 金属接正、半导体接负时形成反向电流
与p-n结区别，正向永远是p正、n负，电流从p流向n区 金属与半导体接触，正向的判定要看是哪种阻挡层 且正向电流都是相应于多子由半导体到金属的运动所形成的电流
(a)p型阻挡层（Wm<Ws）
小结： （1）金属与n型半导体接触
Wm>Ws，电子由半导体进入金属，在半导体表面形成电子势垒 （阻挡层）

下面讨论镜象力和隧道效应 的影响：主要考虑对势垒高 度的影响(因为是热电子发射 理论。)
三、理论模型的校正（略)
⑴ 镜象力的影响
镜象电荷、镜象力概念：在金属-真空系统中，一个在金属外 面的电子，要在金属表面感应出正电荷，同时电子要受到正电 荷的吸引。若电子距离金属表面的距离为x，则它与感应正电荷 之间的吸引力，相当于该电子与位于-x处的等量正电荷之间的 吸引力，如图7-14所示。这个正电荷称为镜像电荷，这个吸引 力称为镜像力，它应为
二、定量得出阻挡层伏-安特性表达式 1、扩散理论(续)
将 V xd n V 和 ns n VD
代入（7-13）V x
qN D
r0
xxd
1 2
x2
ns
得到
xd
2 0 r VS 0
qN D
V
1
2
xd
V 0
2
0r Vs
qND
0
1
2
下页推导 (7-14) (7-15)
qV x
k0T
dx
qDn
n
x
exp
qV x
k0T
xd 0
二、定量得出阻挡层伏-安特性表达式 1、扩散理论(续)
得到：
J
xd 0
exp
qV x
k0T
dx
qDn
n0
exp
q
ns Vs
k0T
0
exp
qV k0T
1
(7-22)
其中用到： 下页推导
Wm >Ws n 型半导体
下面计算通过势垒的电流：必须同时考虑漂移和扩散运动
J
q
n
x
n
Ex

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。