第九章金属和半导体的接触

1、 金属和半导体的接触金属和半导体的接触 1. 金属和半导体的功函数金属和半导体的功函数金属中的电子绝大多数所处的能级都金属中的电子绝大多数所处的能级都低于孤立电子能级。低于孤立电子能级。金属功函数金属功函数的定义的定义: 真空中静止电子的真空中静止电子的能量能量 E0 与与 金属的金属的 EF 能量之差，即能量之差，即0()mFmWEE上式表示一个起始能量等于费米能级上式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的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小值。需要的最小值。金属中的电子势阱金属中的电子势阱0EmWEFWm 越大越大, 金属对电子的束缚越强金属对电子的束缚越强在半

2、导体中，导带底在半导体中，导带底 EC 和价带顶和价带顶 EV一般都比一般都比 E0 低几个电子伏特。低几个电子伏特。半导体功函数半导体功函数的定义的定义: 真空中静止电子的真空中静止电子的能量能量 E0 与与 半导体的半导体的 EF 能量之差，即能量之差，即sFsEEW)(0Ws 与杂质浓度有关与杂质浓度有关E0ECEFEV Ws电子的亲合能电子的亲合能CEE 0q2.接触电势差接触电势差EvWssFE )(mW0ECEnEmFE )(smWW （b）紧密接触）紧密接触FE)(msVVqnSqmWCEnEVE 半导体表面有空间半导体表面有空间 电荷区电荷区 空间电荷区内有电场空间电荷区内有电

3、场 电场造成能带弯曲电场造成能带弯曲E+_因表面势因表面势 Vs 0能带向上弯曲能带向上弯曲qVD接触电势差一部分降落在空间电荷区接触电势差一部分降落在空间电荷区, 另一另一部分降落在金属和半导体表面之间部分降落在金属和半导体表面之间smsmsVVqWW若若D原子间距原子间距, 电子可自由穿过间隙电子可自由穿过间隙, Vms0, 则接触电势差大部分降落在空间电荷区则接触电势差大部分降落在空间电荷区smsVqWW/ )(FEnSqCEVEnE（c）忽略间隙）忽略间隙qVD半导体一边的势垒高度半导体一边的势垒高度0,ssmsDVWWqVqV金属一边的势垒高度金属一边的势垒高度mnsmnsnDnsW

4、EWWEqVEqVq 半导体表面形成一个正的空间电荷区半导体表面形成一个正的空间电荷区 电场方向由体内指向表面电场方向由体内指向表面 (VsWs在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，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，因此它是一个高电子浓度要比体内小得多，因此它是一个高阻的区域，常称为阻的区域，常称为阻挡层阻挡层。Wm0) 半导体表面电子的能量低于体内的，能半导体表面电子的能量低于体内的，能 带向下弯曲带向下弯曲在空间电荷区中，电子浓度要比体内大得多，在空间电荷区中，电子浓度要比体内大得多，因此它是一个高电导的区域，称为因此它是一个高电导的区域，称为反阻挡层反阻挡

5、层。EcEvEFWs-Wm-Wm金属和金属和 n 型半导体接触能带图型半导体接触能带图 (WmWs)反阻挡层薄反阻挡层薄, 高电导高电导, 对接触电阻影响小对接触电阻影响小能带向下弯曲能带向下弯曲, 造成空穴的势垒造成空穴的势垒, 形成形成 p 型阻挡层型阻挡层smWW smWW 当金属与当金属与 p 型半导体接触型半导体接触能带向上弯曲能带向上弯曲, 形成形成 p 型反阻挡层型反阻挡层WmEcEvEcEv金属和金属和p型半导体接触能带图型半导体接触能带图(a)(b)(a) p型阻挡层型阻挡层(WmWs)PSqPSqsmDWWqVFEFEmsDWWqV形成形成n型和型和p型阻挡层的条件型阻挡层

6、的条件WmWsWmWs n 型型 p 型型阻挡层阻挡层反阻挡层反阻挡层阻挡层阻挡层反阻挡层反阻挡层 计算超越势垒的载流子数目（电流）计算超越势垒的载流子数目（电流）就是就是热电子发射理论热电子发射理论。3. 热电子发射理论热电子发射理论N型阻挡层很薄时型阻挡层很薄时: 电子的平均自由程远大于势垒宽度，电子的平均自由程远大于势垒宽度，扩散理论不再适用扩散理论不再适用. 电电子在子在势垒区势垒区的的碰碰撞可忽略，撞可忽略，势垒势垒高度起作用高度起作用以以n型阻挡层为例，且假定势垒高度型阻挡层为例，且假定势垒高度kTVqs0)(FEnSqCEVEnEqVD 电子从金属到半导体所面临的势垒高度电子从金

7、属到半导体所面临的势垒高度不随外加电压变化。从金属到半导体的电不随外加电压变化。从金属到半导体的电子流所形成的电流密度子流所形成的电流密度J m s是个常量，它是个常量，它应与热平衡条件下，即应与热平衡条件下，即V=0时的时的 J s m大小大小相等，方向相反。因此，相等，方向相反。因此，)exp(*20kTqTAJJnsVmSsm有效理查逊常数有效理查逊常数32*4hkqmAn热电子向真空发射的有效理查逊常数热电子向真空发射的有效理查逊常数)/(12022KcmAA当加正向偏压时，由上式得到当加正向偏压时，由上式得到总电流密度为：总电流密度为：1)exp(1)exp()exp(*2kTqVJTkqVTkqTAJJJsTnssmmSkTqTAJnssTexp2*Ge, Si, GaAs的迁移率高，自由程大，它们