第九章 金属半导体和半导体异质结

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1、第九章金属半导体和半导体异质结第九章金属半导体和半导体异质结9.1肖特基势垒二极管9.2金属半导体的欧姆接触9.3异质结9.1肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管示意图9.1.1性质上的特征金属N型半导体金属和n型半导体接触前的平衡态能带图基本概念真空能级E0:电子完全脱离材料本身的束缚所需的最小能量功函数：从费米能级到真空能级的能量差电子亲和势：真空能级到价带底的能量差金属的功函数半导体的亲和势半导体的功函数画能带图的步骤：1.画出包括表面在内的各部分的能带图2.使图沿垂直方向与公共的E0参考线对齐，并通过公共界面把图连起来3.不改变

2、半导体界面能带的位置，向上或向下移动半导体体内部分的能带，直到EF在各处的值相等4.恰当地把界面处的Ec,Ei,Ev和体内Ec,Ev,Ei连接起来5.去除不重要的Figure9.1m>s两个方向都存在电子流动的势垒B0=m-金属中的电子向半导体中运动存在势垒B0叫做肖特基势垒。半导体导带中的电子向金属中移动存在势垒Vbi，Vbi就是半导体内的内建电势外加电压后，金属和半导体的费米能级不再相同，二者之差等于外加电压引起的电势能之差。金属一边的势垒不随外加电压而变，即：B0不变。半导体一边，加正偏，势垒降低为Vbi-Va反

3、偏势垒变高为：Vbi+VR正偏反偏肖特基二极管：正偏金属的电势高于半导体M>s，整流接触正偏，半导体势垒高度变低，电子从S注入M，形成净电流I，I随VA的增加而增加。反偏：势垒升高，阻止电子从S向金属流动，金属中的一些电子能越过势垒向半导体中运动，但这一反向电流很小。结论：M>s时，理想的MS接触类似于pn结二极管、具有整流特性整流接触欧姆接触金属和p型半导体接触的平衡态能带图7.1金属和半导体接触及其能带图7.1金属和半导体接触及其能带图金属一边的势垒高度：7.1金属和半导体接触及其能带图结论n形半导体p形半导体Wm>Ws

4、整流接触欧姆接触Wm

5、子，要在金属表面感应出正电荷，同时电子要受到正电荷的吸引，若电子距离金属表面的距离为x，则电子与感应正电荷之间的吸引力，相当于位于（-x）处时的等量正电荷之间的吸引力。正电荷叫镜像电荷，这个吸引力叫镜像引力电子镜像电荷Figure9.4镜像力的势能将叠加到理想肖特基势垒上，势能在x=xm处出现最大值，（镜像力和电场力平衡的地方），说明镜像力使肖特基势垒顶向内移动，并且引起势垒高度降低，这就是肖特基势垒的镜像力降低现象，又叫做肖特基效应。二、界面态对势垒高度的影响前面讨论的理想MS接触，认为接触势垒仅由金属的功函数决定的，实际上，半导

6、体表面存在的表面态对接触势垒有较大的影响。表面态位于禁带中，对应的能级称为表面能级。表面态分为施主型和受主型两类。若能级被电子占据时呈电中性，施放电子后呈正电，称为施主型表面态。若能级空着时呈电中性，而接受电子后呈负电，称为受主型表面态。表面态存在一个距离价带顶为0的中性能级：电子正好填满0以下的所有表面态时，表面呈电中性；0以下的表面态空着时，表面带正电，呈施主型；0之上的表面态被电子填充时，表面带负电，呈现受主型。对于大多数半导体，0约为禁带宽度的三分之一。假设在n型半导体表面存在表面态：当EF低于0时，0之下有一

7、些态是空着的，表面呈正电，这些正电荷和金属表面的负电荷所形成的电场在金属和半导体之间的微小间隙中产生电势差，所以半导体的耗尽层中需要较少的电离施主来平衡。结果自建势被显著降低，金属一边的势垒也降低。半导体费米能级EF高于0，则在0和EF之间的能级基本上被电子填满，表面带负电。这样半导体表面附近必定出现正电荷，成为正的空间电荷区，结果形成电子的势垒，并使B0增加。9.1.4电流-电压关系金属半导体结中的电流输运机制，不同于pn结中少数载流子决定电流的情况，而是主要取决于多数载流子。肖特基二极管的基本过程是电子运动通过势垒。这种现

8、象可以通过热电子发射理论来解释。热电子发射现象基于势垒高度远大于kT这一假定。Jsm是电子从半导体扩散到金属中的电流密度，Jms是电子从金属扩散到半导体中的电流密度。随着电场强度和反偏电压的增大而增大，反偏电流随反偏电压的增加而增