半导体物理：金属和半导体的接触

半导体中的电子将向金属流动，使金属表面带负电，半导体表
面带正电。
它们所带电荷在数值上相等的，整个系统仍保持电中性，结果
降低了金属的电势，提高了半导体的电势。
当它们的电势发生变化时，其内部的所有电子能级及表面处的
电子能级都随同发生相应的变化，最后达到平衡状态
金属和半导体的费米能级在同一水平上，这时不再有电子的净
7.1.1 金属和半导体的功函数
在绝对零度时，金属中的电子填满了费米能级以下的所有 能级，而高于EF的能级则全部是空着的。
在一定温度下．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。
这说明金属中的电子虽然能在金属中自由运动，
第七章 金属和半导体的接触
金属－半导体接触
➢ 金－半接触的整流效应是半导体物理效应的早期发现之一，并且最早 付诸应用：
➢
1874年，德国物理学家布劳恩发现金属探针与PbS和FeS2晶体的接触 具有不对称的伏安特性；
➢ 1876年，英国物理学家亚当斯发现光照能使金属探针与Se的点接触 产生电动势；
➢ Biblioteka Baidu883年，福里茨发现金属探针与Se的点接触的整流特性；
例 ：n
EC EF
型材料，强电离区：ND =Nce k0T
EF
Ec
k0T
ln
ND Nc
几种半导体的电子亲和能及其在不同掺杂浓度下的功函数计算值
半
电子亲
导 合能X
体
(eV)
Si 4.05 Ge 4.13 GaAs 4.07
功函数Ws(eV)
n型 ND (cm-3)
p型 NA(cm-3)
1014
1015
Vs<0,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 表面势垒。
在势垒区中，空间电荷主要由电 离施主形成，电子浓度要比体内小 得多，是一个高阻的区域，称为阻 挡层(电子)。具有整流接触。
阻挡层形成的条件
金属与n型半导体接触: WM＞WS 金属与p型半导体接触: WM<WS
WM＜WS的情况
的流动。
它们之间的电势差完全补偿了原来费米能级的不同
Vms
Vm
Vs Ws
Wm q
随着D的减小，靠近半导体一侧的金属表面负电荷密度增 加，同时，靠近金属一侧的半导体表面的正电荷密度也随 之增加。
由于半导体中电荷密度的限制，这些正电荷分布在半导体 表面相当厚的一层表面层内，即空间电荷区。
Al
4.59 5.20 4.55 4.42 4.21 5.36 4.18
半导体的功函数
半导体中的电子从半导体中逸出必须由外界给它以足 够的能量.
半导体的功函数类似定义为真空能级E0与半导体 费米能级EFs能量之差Ws= E0 – EFs
半导体的功函数WS是杂质浓度的函数，而不像金 属那样基本为一常数。
在空间电荷区内便存在一定的电场，造成能带弯曲，使半 导体表面和内部之间存在电势差Vs，即表面势。
这时接触电势差一部分降落在空间电荷区，另一部分降落 在金属和半导体表面之间。
Ws
Wm q
Vms
Vs
若D小到可以与原子间 距相比较，电子可自由 穿过间隙
接触电势差绝大部分降 落在空间电荷区。
WM<WS, 金属的费米能级高于 n型半导体的费米能级,金属 中的电子向半导体中移动,在 半导体表面形成电子累积的 负空间电荷区.
Wm<Ws
n型反阻挡层（理想欧姆接触）
半导体表面带负电,空间电荷区电场的方向由半导体表面指向 体内，表面电子的能量低于体内，能带向下弯曲，表面处电子 浓度远大于体内。所以此时的空间电荷区是一个很薄的高电导 层，称之为反阻挡层（表面电子积累），对半导体和金属的接 触电阻影响很小。
7.1.2 接触电势差
金属与n型半导体接触为例,它们有共同的真空静止电子能级,并假定金属的功函数
大于半导体的功函数 wm>ws
接触前，尚未达到平衡时的能级图
Eo Wm EF
S
WS
EF
m
n
Wm > Ws
半导体的费米能级高于金属的费米能级。
如果用导线把金属和半导体连接起来，它们就成为一个统一的
电子系统。
1016
1014
1015
1016
4.37 4.31 4.25 4.87 4.93 4.99
4.43 4.37 4.31 4.51 4.57 4.63
4.29 4. 23 4.17 5.20 5.26 5.32
半导体的功函数 WS= E0 - EFS
EFS ↑ → WS ↓
7.1.2 接触电势差
金属与n型半导体接触为例 它们有共同的真空静止电子能级 并假定金属的功函数大于半导体的功函数 接触前，尚未达到平衡时的能级图
Ws
Wm q
Vs
VD
,
Vs <0
金属一边的势垒高度是
qns qVD En qVs En Wm Ws En Wm
肖特基势垒高度只与金属的功函数和半导体的亲和能有关, 与半导体掺杂与否没有关系。
若 Wm>Ws ， 半 导 体 表 面 形 成 正 的 空间电荷区,电场由体内指向表面
但绝大多数所处的能级都低于体外能级。要使电子从金属 中逸出，必须由外界给它以足够的能量
金属的功函数
金属功函数
Eo
Wm E0 (EF )m
Wm (EF)m
E0表示真空中静止电子的能量
它表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金 属内部逸出到真空中所需要的最小能量。
功函数的大小标志着电子在金 属中束缚的强弱
功函数越大，电子越不容易离 开金属。
金属的功函数约为几个电子伏 特。
铯的功函数最低，为1.93eV
铂的最高．为5.36eV。
功函数的值与表面状况有关
金属功函数随原子序数的递增 呈现周期性变化。
元素
Al
功函数 4.18
几种常见元素的功函数（eV）
几种常见元素的功函数（eV）
Cu Au W
Ag Mo Pt
电子亲合能X
定义:E0与Ec之差
E0 EC
半导体功函数
半导体功函数
Ws E0 (EF )s
电子亲合能,它表示要使半导
体导带底的电子逸出体外所 需要的最小能量。
故
E0 Ec
其中
Ws [Ec (EF )s ] En
En Ec (EF )s
n
=
En q
半导体的功函数与杂质浓度的关系
1904年，美国电气工程师鲍斯获得Si和PbS点接触整流器的专利权
1906年，美国电气工程师皮卡德获得点接触晶体检波器的专利权，这种 器件是晶体检波接收机（即矿石收音机）的关键部件；
1920年，硒（Se）金－半接触整流器投入应用；
1926年，Cu2O点接触整流二极管问世，并在二战中应用于雷达检波。
7.1 金属半导体接触及其能级图