对半导体pn结接触电势的一个讨论(精)

第22卷第6期

2003年6月大学物理

COLLEGE PHYSICSVol.22No.6

June.2003

对半导体pn结接触电势的一个讨论

茹国平

(复旦大学微电子学系,上海200433)

摘要:讨论了半导体pn结内建电场和接触电势的形成与可测性,回答了在半导体物理学pn结内容教学中学生经常会提出的一个似是而非的问题.从热力学第一定律、金属-(零偏下)时pn结不可能对外输出电压和电流的原因.

关键词:pn结;金属-半导体接触;接触电势;中图分类号:O47()0620010204

1引言

当两种导电类型不同的半导体形成pn结后(如图

1),在结附近会形成一个空间电荷区(如图1(a)),由于

其内部载流子浓度远低于中性区的载流子浓度,又称

为耗尽区.在空间电荷区中存在着一个从n区指向p

区的内建电场(又称自建电场),其分布如图1(b)所示.

这样在pn结耗尽层外的两侧会产生一个电势差(电势

分布如图1(c)所示),称为pn结接触电势差VD.从能

带图上可以看出,这个电势差要阻碍p区(n区)的空穴

(电子)向n区(p区)扩散(如图1(d)所示),所以qVD

又称为接触势垒,正是由于这个接触势垒的存在才避

免了pn结中载流子的无止境扩散,因此在零偏下(更准

确地讲应是热平衡时)pn结不会有宏观净电流流过.

初次接触上述物理图像,学生一般觉得很容易理

解,但当半导体物理知识掌握到一定程度时,又会发现

上述物理图像不好理解,学生常常会提这样一个问题:

“既然如图1(c)所示热平衡的pn结两侧存在接触电势

差,那么假如用一根导线将pn两端连起来,似乎会有

电流流过,即热平衡pn结会向外输出电流;或者用电压表接到pn结两端,似乎可以测到电压,即热平衡pn 结会向外输出电压,这显然是不可能的,那么原因是什么?”

目前的国内外绝大多数半导体物理教科书中均未图1

收稿日期:2001-12-24

基金项目:上海市教委和上海市教育发展基金会曙光计划资助项目

),男,复旦大学微电子学系副教授,博士,主要从事微电子专业教学以及微电子薄膜材料与器件工艺作者简介:茹国平(1968—

技术研究.

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第6期茹国平:对半导体pn结接触电势的一个讨论给出答案.一般半导体物理教科书在叙述半导体pn结特性时,都给出了如图1所示的热平衡pn结的物理图像,提出了空间电荷区、耗尽层、内建电场(结电场)、接触电势差(接触势垒)等概念,并讨论不同材料、不同温度对接触电势差的影响等,然后就转入偏压下的pn结讨论[1～9].只有少数教科书[10]提及这一问题,但并未具体展开讨论和细致分析.本文将在对pn结内建电场和接触势垒的形成、金属-半导体接触的形成等分析的基础上,对这一似是而非的问题给予一个全面的解释.

2分析与讨论

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型半导体,这个内建电场的方向由金属指向半导体,使金属的电势高于半导体,其大小等于p型半导体的能带弯曲量;对于n型半导体,这个内建电场的方向由半导体

指向金属,使半导体的电势高于金属,其大小等于

n型半导体的能带弯曲量.仔细看一下,p区与n区的

肖特基势垒内建电场的方向正好与pn结的内建电场方向相反.因为一个系统处于热平衡时,它有一个统一的费米能级,因此对于这样一个由金属/p型半导体/n型半

导体/金属构成的系统,它也具有一个统一的费米能级(如图3所示).故如将两侧的

金属连接起来,就不会有净的电子流动,.换句话,

pn-半导体接触电

2.1热力学第一定律解释

题.如图2(a),pn两端测到电势差,过(如图2(b)),则说明回路的电动势不为零.而从热力学第一定律的角度来看,这种现象是不可能发生的,因为热平衡pn结不会无源地向外输出能量(电能)

.

,,

.

图3金属/p型半导体/n型半导体/金属

系统的能带图

有人可能会问“:若用两种不同的金属导线A、B连接到pn结两端,会发生什么情况?”回答还是一样.虽然不同金属的功函数不一样,导线A、B上的电势不同,但如果把A、B直接接起来或用导线C把A、B连起来,回路中仍不会产生净电流.因为决定能否对外输出电压或电流的本质是回路中的电动势是否为零.A、

图2

B两根导线从半导体pn结两端接出来而产生的电势

差正好被A、B连接时(或通过导线C连接起来)的接触电势差VAB=

(如图4所示),但回路中的电动势仍为零[10].

2.2金属-半导体接触电势差的贡献

从能量守恒的角度分析虽然回答了这个关于pn结接触电势的问题,但并没有对这个问题从正面给予直接解释.下面我们将在金属-半导体接触形成的基础上,对这个问题进行正面解释.

当我们试图去测量半导体pn结的接触电势差时,必须用两根导线(或电压表的表笔)连接到pn结两端,这时pn结两端与连接的金属就构成了金属-半导体接触,该系统的能带如图3所示.由于半导体与金属接触后,又会形成一个肖特基势垒,即在半导体一侧也会产生一个空间电荷层,其中也存在着内建电场.对于p

2.3金属-半导体接触的空间电荷

pn结的空间电荷区中总电荷为零,这是由电中性

条件要求的.在耗尽层近似下,我们也可以理解成n区

(p区)空间电荷区中原有的电子(空穴)全部转移到p

区(n区)空间电荷区,与那里的空穴(电子)全部复合掉.对于由金属/p型半导体/n型半导体/金属构成的

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何净电荷存在,因此如果将连接p型、n型半导体的两根导线接起来,没有电流流过