第 6 章 金属半导体接触和异质结

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因此电子将从功函数小的一边向功函数大的一边流动， 也就是电子从高能级的一边向低能级的一边流动。同 PN 结 的讨论类似，载流子运动后将导致局部带电，但整体保持电 中性。局部带电将出现空间电荷区。空间电荷区的存在又使 能带发生弯曲，这种电子的流动一直进行直到达到两边费米 能级的统一。下面将针对具体情况进行具体讨论。
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由于在金属和半导体接触的界面处，在接触前和接触后 各能级之间的关系没有发生变化，因此有
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若金属与 N 型半导体接触，金属的功函数小于半导体 的功函数，则电子从金属向半导体流动，半导体一侧带负电， 金属一侧带正电，电场的方向是由带正电的金属指向带负电 的半导体，即电场是由半导体的表面指向体内。沿着电场的 方向就是电势降低的方向，乘以电子电量，就是电子电势能 增加的方向，因此从半导体表面到体内，能带向上弯，从半 导体体内向半导体表面看的话，能带是向下弯。此时在能带 弯曲的部分，积累了大量的电子，是一个高电导的区域，与 前面的阻挡层相对应，将其称为反阻挡层。其平衡时的能带 图如图 6.4所示。
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6. 1 金属半导体接触
在这一节中将讨论金属和不同导电类型的半导体接触的 情况。
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6. 1. 1 金属和半导体的功函数 金属和半导体类似，也存在自己的费米能级。在绝对零
度时，费米能级以下的所有能级都被电子所占据，而费米能 级以上的能级则是全空的。随着温度的升高，此时虽然有少 量电子通过热激发能获得能量跃迁到高于费米能级的地方， 但费米能级以下的所有能级几乎都被电子所占据，而费米能 级以上的能级几乎是全空的。因此，金属中的电子虽然可自 由运动，但它仍受金属的束缚。用 E 0 表示真空能级，金属 费米能级的位置如图 6.1 所示，其中定义金属费米能级与真 空能级 E 0的差为金属的功函数即
第 6 章 金属半导体接触和异质结 式中， E Fm 表示金属的费米能级，下标 m 表示金属。
图 6.1 金属的功函数
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功函数标志着金属中的电子摆脱金属的束缚所需要的能 量，表 6.1 为几种常见金属的功函数。类似地，也可定义半 导体的功函数为半导体的费米能级与真空能级之差，即
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当金属与 N 型半导体接触时，设它们具有共同的真空 能级。如果 N 型半导体的功函数小于金属的功函数，即 N 型半导体的费米能级高于金属的费米能级，则电子将从费米 能级高的N 型半导体向费米能级低的金属流动。金属一侧将 带负电，半导体一侧将带正电，由于金属一侧的电荷密度很 大，积累的负电荷位于非常靠近金属表面的区域内；相比之 下，半导体一侧的电荷密度较小，是由掺杂浓度决定的，积 累的正电荷将位于从半导体表面开始向内部延伸到相当厚的 区域内，即空间电荷区。空间电荷区内存在内建电场，电场 的方向是由带正电的半导体指向带负电的金属，即由半导体 体内指向表面。电场的存在导致电势的变化，进而导致电势 能的变化，即能带的弯曲，如图 6.3 所示。
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6. 1 金属半导体接触 6. 2 异质结 6. 3 异质结的电流 电压特性 习题
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前一章讨论的 PN 结是由同一种半导体材料的 P 型和 N 型在交界面附近形成的结构，也可称为同质结。在这一章中， 将利用讨论 PN 结时的方法讨论由不同材料在其交界面附近 构成的结，包括金属 半导体结和异质结。在本章的讨论中 也会涉及利用这两种结形成的半导体器件和欧姆接触。
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图 6. 2 为半导体的功函数，图 6. 2 中出现的 E Fs 表示半 导体的费米能级， χ 为半导体的电子亲和能，表示半导体导 带底的电子要逸出体外所需的最小能量。不同的半导体材料 具有不同的电子亲和能，表 6.2 中给出常见的几种半导体的 电子亲和能。半导体的功函数是随着半导体的掺杂浓度的变 化而变化的，但当材料的种类确定后，半导体的电子亲和能 则是定值，不随掺杂浓度的变化而改变。
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图 6.3 金属和 N 型半导体接触( W s < W m )时的能带图
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和 PN 结的讨论类似，金属与 N 型半导体接触开始形成 时，电子由半导体向金属大量流动，伴随着内建电场的产生， 出现能带弯曲，当半导体中的电子再向金属流动时，遇到了 势垒，阻止半导体中的电子进一步向金属流动，从而达到动 态平衡状态，此时金属和半导体两侧的费米能级统一。在图 6.3 中，也可以把能带弯曲的部分称为势垒区，势垒区内主 要是由带正电的电离施主构成的，因此该区域是一个高阻的 区域，称为阻挡层。由于金属中存在大量的电子，因此改变 金属的费米能级较为困难，金属和半导体二者费米能级的统 一也可以看是，金属的费米能级几乎不动，而主要是半导体 的费米能级向金属的费米能级靠近的过程。
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图 6.4 金属和 N 型半导体Baidu Nhomakorabea触( W s > W m )时的能带图
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下面对金属与 N 型半导体的这两种接触，定性研究它 们在外加偏压下的行为。对于W m > W s 的接触而言，内建 电场的方向为由半导体指向金属。因此如果外加电压产生的 电场方向与内建电场方向相反，则为正向偏压，即金属接电 源的正极，半导体接电源负极为正偏；反之，金属接负极， 半导体接正极为反偏。下面结合这两种偏压下的能带图定性 讨论其电流电压特性关系。
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图 6.2 半导体的功函数
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6. 1. 2 理想的金属半导体接触 一旦形成 PN 结，由于两边存在载流子的浓度梯度，而
引发载流子的扩散运动，即电子从 N 区向 P 区扩散，空穴 从 P 区向 N 区扩散。金属半导体接触形成后，载流子的流 动方向取决于功函数的大小。由前面金属和半导体的功函数 的定义可知，功函数大的物质，电子占据较高能级的概率小、 数目少，费米能级的位置低；相反功函数小的物质，电子占 据较高能级的概率大、数目多，费米能级的位置高。