2022-2023学年高二物理竞赛课件：金属-半导体结

金属-半导体结前言金属－半导体结由金属和半导体接触形成的。金属－半导体接触出现两个最重要的效应：欧姆效应，若二者有整流作用，则叫整流接触，反之，叫欧姆接触。这是整流效应和由于金属与半导体相接触时在半导体表面形成一个“表面势垒”这种因金属－半导体接触，通常称为“肖特基势垒”。引起的表面势垒整流结是形成通常肖特基势垒二极管或热载流子二极管的基础；非整流结不论外加电压的极性如何都具有低的欧姆压降，而且不出现整流效应。金属－半导体器件中最主要的有肖持基势垒二极管和肖持基势垒效应晶体管。一肖特基势垒表面势垒金属与半导体接触时，会发生载流子的流动：它是由于金属和半导体中电子能量状态不一样，使得电子从能量高的地方到能量低的地方。电子流向取决于两者“功函数”（溢出功）的相对大小。功函数：把一个电子从费米能级移到真空能级所需做的功亲和势：把一个电子从导带底移到真空能级所需做的功由于功函数的不同，半导体中的电子就会渡越到金属，使两者的费米能级拉平。

当把N型半导体与一个比它功函数大的金属紧密接触时，此时，金属的费米能级小于半导体的费米能级，半导体中的电子能量较大，一部分电子很容易的进入金属。使得金属因多余电子而带负电，半导体因缺少电子而带正电。金属中的负电荷是以电子的形式存在的，其密度很高，在N型半导体正电荷的吸引下，这些多余的电子就集中在界面处的金属薄层中。半导体中的正电荷是以施主离子的形式出现的，分布在一定厚度的区域中，形成空间电荷区。空间电荷区的能带会发生弯曲，形成势垒。当势垒高度增加到N区半导体中能够越过势垒而进入金属的电子和从金属越过势垒进入N型半导体的电子数一样多时，就达到平衡，平衡时，金属与半导体的费米能级也应该拉平。整个势垒主要位于半导体表面而在金属的区域极薄，这种势垒称为金属与半导体接触的表面势垒，也就是肖特基势垒。势垒中的电场从N型半导体指向金属。达到热平衡时形成稳定的自建电场和自建电势，半导体能带向上弯曲，形成了阻止半导体中电子向金属渡越的势垒。自建电势为：从金属流向半导体的电子需要跨过的势垒为：从图示(b)可得：对于P型半导体，如P型半导体的功函数大于金属的功函数。当与金属紧密接触时，金属中的电子跑向半导体（或者说半导体中的空穴跑向金属），于是金属带正电，半导体带负电。这些负电荷以电离受主杂质的形式分布在P型半导体靠近表面的空间电荷区内，其电场方向由金属指向半导体，所以这个表面势垒是阻挡空穴从半导体流向金属。2加偏压的肖特基势垒未加偏压正向偏压反向偏压金属半导体整流效应如果在紧密接触的金属和半导体之间施加电压，由于表面势垒的作用，加正反向电压时所产生的电流大小不同，即有整流效应。当在金属一边施加正电压半导体施加负电压时，N型半导体的势垒高度降低，从N型半导体流向金属的电子流大大增加，成为金属－半导体整流接触的正向电流。反之，势垒高度增加，半导体流向金属的电子流减小到接近零；而从金属流向半导体的电子流还是同以前一样，从而出现了金属流向半导体的小的电子流，这就是金属半导体接触的反向电流。整流接触常用合金、扩散、外延或离子注入法获得。对于均匀掺杂的半导体，肖特基势垒的空间电荷区宽度为：结电容为：图4-4被表面态箝位的费米能级在大多数实用的肖特基势垒中，界面态在决定Φb的数值中处于支配地位，势垒高度基本上与两个功函数差以及半导体中的掺杂度无关。由实验观测到的势垒高度列