第7章金屬和半導體的接觸7.1金屬半導體接觸及其能級圖

7.1.1金屬和半導體的功函數金屬功函數金屬功函數隨原子序數的遞增呈現周期性變化7.1金屬半導體接觸及其能級圖

7.1.1金屬和半導體的功函數關于功函數的幾點說明:①對金屬而言,功函數Wm可看作是固定的.功函數Wm標志了電子在金屬中被束縛的程度.

對半導體而言,功函數與摻雜有關②功函數與表面有關.③功函數是一個統計物理量半導體功函數電子親和能故其中7.1金屬半導體接觸及其能級圖

7.1.1金屬和半導體的功函數對半導體，電子親和能χ是固定的，功函數與摻雜有關7.1金屬半導體接觸及其能級圖

7.1.1金屬和半導體的功函數半導體功函數與雜質濃度的關系（見表7-1）

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n型半導體:WS=χ+(EC-EF)

?

p型半導體:WS=χ+[Eg-(EF-EV)]7.1金屬半導體接觸及其能級圖7.1.2接觸電勢差金屬與n型半導體接觸為例（Wm>Ws）接觸前7.1金屬半導體接觸及其能級圖7.1.2接觸電勢差金屬和半導體間距離D遠大于原子間距7.1金屬半導體接觸及其能級圖7.1.2接觸電勢差隨著D的減小7.1金屬半導體接觸及其能級圖7.1.2接觸電勢差若D小到可以與原子間距相比較若Wm>Ws，半導體表面形成正的空間電荷區，電場由體內指向表面，Vs<0。7.1金屬半導體接觸及其能級圖7.1.2接觸電勢差阻擋層反阻擋層7.1金屬半導體接觸及其能級圖7.1.2接觸電勢差若Wm<Ws，半導體表面形成負的空間電荷區，電場由表面指向體內，Vs>0。反阻擋層阻擋層

7.1金屬半導體接觸及其能級圖7.1.3表面態對接觸電勢的影響實驗表明：不同金屬的功函數雖然相差很大，但與半導體接觸時形成的勢壘高度卻相差很小。原因：半導體表面存在表面態。表面態分為施主型和受主型。表面態在半導體表面禁帶中呈現一定分布，表面處存在一個距離價帶頂為qФ0的能級。電子正好填滿qФ0以下所有的表面態時，表面呈電中性。若qФ0以下表面態為空，表面帶正電，呈現施主型；qФ0以上表面態被電子填充，表面帶負電，呈現受主型。對于大多數半導體，qФ0越為禁帶寬度的三分之一。

7.1金屬半導體接觸及其能級圖7.1.3表面態對接觸電勢的影響若n型半導體存在表面態，費米能級高于qФ0，表面態為受主型，表面處出現正的空間電荷區，形成電子勢壘。勢壘高度qVD恰好使表面態上的負電荷與勢壘區的正電荷相等。7.1金屬半導體接觸及其能級圖7.1.3表面態對接觸電勢的影響存在表面態即使不與金屬接觸，表面也形成勢壘。當半導體的表面態密度很高時，可以屏蔽金屬接觸的影響，使半導體內的勢壘高度和金屬的功函數幾乎無關，有半導體表面性質決定。7.1金屬半導體接觸及其能級圖7.1.3表面態對接觸電勢的影響7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性電導的非對稱性（整流特性）在某一方向電壓作用下的電導與反方向電壓作用下的電導相差懸殊的器件特性首要條件：接觸必須形成半導體表面的阻擋層（形成多子的接觸勢壘）7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性（1）V=0

半導體接觸表面能帶向上彎，形成n型阻擋層。當阻擋層無外加電壓作用，從半導體流向金屬的電子與從金屬流向半導體的電子數量相等，處于動態平衡，因而沒有凈的電子流流過阻擋層。7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性（2）V>0若金屬接電源正極，n型半導體接電源負極，則外加電壓降方向由金屬指向半導體，外加電壓方向和接觸表面勢方向相反，使勢壘高度下降，電子順利的流過降低了的勢壘。從半導體流向金屬的電子數超過從金屬流向半導體的電子數，形成從金屬流向半導體的正向電流。7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性（3）V<0當電源極性接法反過來，金屬接負極，半導體接正極，外加電壓方向和接觸表面勢方向相同，勢壘高度上升，從半導體流向金屬的電子數減少，而金屬流向半導體的電子數占優勢，形成從半導體流到金屬的反向電流。

7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性當勢壘寬度大于電子的平均自由程，電子通過勢壘要經過多次碰撞，這樣的阻擋層稱為厚阻擋層。針對n型阻擋層，電流J與外加電壓V的關系7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性當V>0時，若qV>>k0T，則當V<0時，若|qV|>>k0T，則該理論是用于遷移率較小，平均自由程較短的半導體，如氧化亞銅。7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性當n型阻擋層很薄，電子平均自由程遠大于勢壘寬度。起作用的是勢壘高度而不是勢壘寬度。電流的計算歸結為超越勢壘的載流子數目。假定，由于越過勢壘的電子數只占半導體總電子數很少一部分，故半導體內的電子濃度可以視為常數。討論非簡并半導體的情況。7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性針對n型半導體，電流密度其中理查遜常數Ge、Si、GaAs有較高的載流子遷移率，有較大的平均自由程，因此在室溫下主要是多數載流子的熱電子發射。兩種理論結果表示的阻擋層電流與外加電壓變化關系基本一致，體現了電導非對稱性正向電壓，電流隨電壓指數增加；負向電壓，電流基本不隨外加電壓而變化JSD與外加電壓有關；JST與外加電壓無關，強烈依賴溫度T。當溫度一定，JST隨反向電壓增加處于飽和狀態，稱之為反向飽和電流。7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性隧道效應微觀粒子要越過一個勢壘時，能量超過勢壘高度的微粒子，可以越過勢壘，而能量低于勢壘高度的粒子也有一定的概率穿過勢壘，其他的則被反射。這就是所謂微粒子的隧道效應。結論：只有在反向電壓較高時，電子的動能較大，使有效勢壘高度下降較多，對反向電流的影響才是顯著的7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性肖特基勢壘二極管與pn結的相同點：單向導電性。與pn結的不同點：pn結正向電流為非平衡少子擴散形成的電流,有顯著的電荷存儲效應；肖特基勢壘二極管的正向電流主要是半導體多數載流子進入金屬形成的，是多子器件，無積累，因此高頻特性更好；肖特基二極管JsD和JsT比pn結反向飽和電流Js大得多。因此肖特基二極管由較低的正向導通電壓。用途：鉗位二極管(提高電路速度)等。7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性

7.2.1整流特性7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性7.2.2少數載流子的注入n型阻擋層，體內電子濃度為n0，接觸面處的電子濃度是電子的阻擋層就是空穴積累層。在勢壘區，空穴的濃度在表面處最大。體內空穴濃度為p0，則表面濃度為加正壓時，勢壘降低，形成自外向內的空穴流，形成的電流與電子電流方向一致。空穴電流大小，取決于阻擋層的空穴濃度。7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性7.2.2少數載流子的注入平衡時，如果接觸面處有此時若有外加電壓，p(0)將超過n0，則空穴電流的貢獻就很重要了。加正向電壓時，少數載流子電流與總電流值比稱為少數載流子的注入比，用γ表示。7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性7.2.2少數載流子的注入7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性7.2.2少數載流子的注入加正電壓時，勢壘兩邊界處的電子濃度將保持平衡值，而空穴在阻擋層內界形成積累，然后再依靠擴散運動繼續進入半導體內部。對n型阻擋層而言7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性7.2.3歐姆接觸定義不產生明顯的附加阻抗，而且不會使半導體內部的平衡載流子濃度發生顯著的變化。實現反阻擋層沒有整流作用，但由于常見半導體材料一般都有很高的表面態密度，因此很難用選擇金屬材料的辦法來獲得歐姆接觸。

隧道效應：重摻雜的半導體與金屬接觸時，則勢壘寬度變得很薄，電子通過隧道效應貫穿勢壘產生大隧道電流，甚至超過熱電子發射電流而成為電流的主要成分，即可形成接近理想的歐姆接觸。7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性7.2.3歐姆接觸接觸電阻：零偏壓下的微分電阻把導帶底Ec選作電勢能的零點，可得7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性7.2.3歐姆接觸電子的勢壘為令y=d0-x，則7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性7.2.3歐姆接觸根據量子力學中的結論，x=d0處導帶底電子通過隧道效應貫穿勢壘的隧道概率為有外加電壓時，勢壘寬度為d，表面勢為[(Vs)0+V]，則隧道概率7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性7.2.3歐姆接觸隧道電流與隧道概率成正比進而可得到7.2金屬與半導體接觸的電流－電壓特性7.2.3歐姆接觸例題施主濃度為7.0×10