2022-2023學年高二物理競賽課件：金屬-半導體結

金屬-半導體結前言金屬－半導體結由金屬和半導體接觸形成的。金屬－半導體接觸出現(xiàn)兩個最重要的效應：歐姆效應，若二者有整流作用，則叫整流接觸，反之，叫歐姆接觸。這是整流效應和由于金屬與半導體相接觸時在半導體表面形成一個“表面勢壘”這種因金屬－半導體接觸，通常稱為“肖特基勢壘”。引起的表面勢壘整流結是形成通常肖特基勢壘二極管或熱載流子二極管的基礎；非整流結不論外加電壓的極性如何都具有低的歐姆壓降，而且不出現(xiàn)整流效應。金屬－半導體器件中最主要的有肖持基勢壘二極管和肖持基勢壘效應晶體管。一肖特基勢壘表面勢壘金屬與半導體接觸時，會發(fā)生載流子的流動：它是由于金屬和半導體中電子能量狀態(tài)不一樣，使得電子從能量高的地方到能量低的地方。電子流向取決于兩者“功函數(shù)”（溢出功）的相對大小。功函數(shù)：把一個電子從費米能級移到真空能級所需做的功親和勢：把一個電子從導帶底移到真空能級所需做的功由于功函數(shù)的不同，半導體中的電子就會渡越到金屬，使兩者的費米能級拉平。

當把N型半導體與一個比它功函數(shù)大的金屬緊密接觸時，此時，金屬的費米能級小于半導體的費米能級，半導體中的電子能量較大，一部分電子很容易的進入金屬。使得金屬因多余電子而帶負電，半導體因缺少電子而帶正電。金屬中的負電荷是以電子的形式存在的，其密度很高，在N型半導體正電荷的吸引下，這些多余的電子就集中在界面處的金屬薄層中。半導體中的正電荷是以施主離子的形式出現(xiàn)的，分布在一定厚度的區(qū)域中，形成空間電荷區(qū)。空間電荷區(qū)的能帶會發(fā)生彎曲，形成勢壘。當勢壘高度增加到N區(qū)半導體中能夠越過勢壘而進入金屬的電子和從金屬越過勢壘進入N型半導體的電子數(shù)一樣多時，就達到平衡，平衡時，金屬與半導體的費米能級也應該拉平。整個勢壘主要位于半導體表面而在金屬的區(qū)域極薄，這種勢壘稱為金屬與半導體接觸的表面勢壘，也就是肖特基勢壘。勢壘中的電場從N型半導體指向金屬。達到熱平衡時形成穩(wěn)定的自建電場和自建電勢，半導體能帶向上彎曲，形成了阻止半導體中電子向金屬渡越的勢壘。自建電勢為：從金屬流向半導體的電子需要跨過的勢壘為：從圖示(b)可得：對于P型半導體，如P型半導體的功函數(shù)大于金屬的功函數(shù)。當與金屬緊密接觸時，金屬中的電子跑向半導體（或者說半導體中的空穴跑向金屬），于是金屬帶正電，半導體帶負電。這些負電荷以電離受主雜質(zhì)的形式分布在P型半導體靠近表面的空間電荷區(qū)內(nèi)，其電場方向由金屬指向半導體，所以這個表面勢壘是阻擋空穴從半導體流向金屬。2加偏壓的肖特基勢壘未加偏壓正向偏壓反向偏壓金屬半導體整流效應如果在緊密接觸的金屬和半導體之間施加電壓，由于表面勢壘的作用，加正反向電壓時所產(chǎn)生的電流大小不同，即有整流效應。當在金屬一邊施加正電壓半導體施加負電壓時，N型半導體的勢壘高度降低，從N型半導體流向金屬的電子流大大增加，成為金屬－半導體整流接觸的正向電流。反之，勢壘高度增加，半導體流向金屬的電子流減小到接近零；而從金屬流向半導體的電子流還是同以前一樣，從而出現(xiàn)了金屬流向半導體的小的電子流，這就是金屬半導體接觸的反向電流。整流接觸常用合金、擴散、外延或離子注入法獲得。對于均勻摻雜的半導體，肖特基勢壘的空間電荷區(qū)寬度為：結電容為：圖4-4被表面態(tài)箝位的費米能級在大多數(shù)實用的肖特基勢壘中，界面態(tài)在決定Φb的數(shù)值中處于支配地位，勢壘高度基本上與兩個功函數(shù)差以及半導體中的摻雜度無關。由實驗觀測到的勢壘高度列