第 6 章金属半导体接触和异质结

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第 6 章金属半导体接触和异质结
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。

第 6 章 金属半导体接触和异质结

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