2022-2023學(xué)年高二物理競賽課件：金屬-半導(dǎo)體結(jié)

金屬-半導(dǎo)體結(jié)前言金屬－半導(dǎo)體結(jié)由金屬和半導(dǎo)體接觸形成的。金屬－半導(dǎo)體接觸出現(xiàn)兩個最重要的效應(yīng)：歐姆效應(yīng)，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(yīng)和由于金屬與半導(dǎo)體相接觸時在半導(dǎo)體表面形成一個“表面勢壘”這種因金屬－半導(dǎo)體接觸，通常稱為“肖特基勢壘”。引起的表面勢壘整流結(jié)是形成通常肖特基勢壘二極管或熱載流子二極管的基礎(chǔ)；非整流結(jié)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(yīng)。金屬－半導(dǎo)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(yīng)晶體管。一肖特基勢壘表面勢壘金屬與半導(dǎo)體接觸時，會發(fā)生載流子的流動：它是由于金屬和半導(dǎo)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(dǎo)帶底移到真空能級所需做的功由于功函數(shù)的不同，半導(dǎo)體中的電子就會渡越到金屬，使兩者的費米能級拉平。

當(dāng)把N型半導(dǎo)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(dǎo)體的費米能級，半導(dǎo)體中的電子能量較大，一部分電子很容易的進(jìn)入金屬。使得金屬因多余電子而帶負(fù)電，半導(dǎo)體因缺少電子而帶正電。金屬中的負(fù)電荷是以電子的形式存在的，其密度很高，在N型半導(dǎo)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(dǎo)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)?？臻g電荷區(qū)的能帶會發(fā)生彎曲，形成勢壘。當(dāng)勢壘高度增加到N區(qū)半導(dǎo)體中能夠越過勢壘而進(jìn)入金屬的電子和從金屬越過勢壘進(jìn)入N型半導(dǎo)體的電子數(shù)一樣多時，就達(dá)到平衡，平衡時，金屬與半導(dǎo)體的費米能級也應(yīng)該拉平。整個勢壘主要位于半導(dǎo)體表面而在金屬的區(qū)域極薄，這種勢壘稱為金屬與半導(dǎo)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(dǎo)體指向金屬。達(dá)到熱平衡時形成穩(wěn)定的自建電場和自建電勢，半導(dǎo)體能帶向上彎曲，形成了阻止半導(dǎo)體中電子向金屬渡越的勢壘。自建電勢為：從金屬流向半導(dǎo)體的電子需要跨過的勢壘為：從圖示(b)可得：對于P型半導(dǎo)體，如P型半導(dǎo)體的功函數(shù)大于金屬的功函數(shù)。當(dāng)與金屬緊密接觸時，金屬中的電子跑向半導(dǎo)體（或者說半導(dǎo)體中的空穴跑向金屬），于是金屬帶正電，半導(dǎo)體帶負(fù)電。這些負(fù)電荷以電離受主雜質(zhì)的形式分布在P型半導(dǎo)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(dǎo)體，所以這個表面勢壘是阻擋空穴從半導(dǎo)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(dǎo)體整流效應(yīng)如果在緊密接觸的金屬和半導(dǎo)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(yīng)。當(dāng)在金屬一邊施加正電壓半導(dǎo)體施加負(fù)電壓時，N型半導(dǎo)體的勢壘高度降低，從N型半導(dǎo)體流向金屬的電子流大大增加，成為金屬－半導(dǎo)體整流接觸的正向電流。反之，勢壘高度增加，半導(dǎo)體流向金屬的電子流減小到接近零；而從金屬流向半導(dǎo)體的電子流還是同以前一樣，從而出現(xiàn)了金屬流向半導(dǎo)體的小的電子流，這就是金屬半導(dǎo)體接觸的反向電流。整流接觸常用合金、擴(kuò)散、外延或離子注入法獲得。對于均勻摻雜的半導(dǎo)體，肖特基勢壘的空間電荷區(qū)寬度為：結(jié)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(dǎo)體中的摻雜度無關(guān)。由實驗觀測到的勢壘高度列