金属和半导体的接触

金属和半导体的接触

1金属和半导体接触及其能带图

金属和半导体的功函数

金属

1.金属中电子虽然能在金属中自由运动，但绝大多数所处的能级都低于体外能级。要使电子

从金属中逸出，必须有外加能量。所以金属内部的电子是在一个势阱中运动。

2.金属功函数的定义是真空中静止电子的能量E₀与费米能级Ef能量之差。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需要的最小能量。

3.功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱。W越大，电子越难离开金属。

半导体

接触电势差

金属与（n型）半导体的接触

接触前

qФ为金属一边的势垒高度，qVd为半导体一边的势垒高度。

总结

当金属与n型半导体接触的时候，若Wm>Ws，能带向上弯曲，即可形成表面势垒，在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度比体内小得多，因此它是高阻域，常称为阻挡层；若是Ws>Wm，能带向下弯曲，此时电子浓度比体内高得多，因而是高电导区域，称为反阻挡层，它是很薄的，对金属和半导体接触电阻的影响很小。

p型半导体和金属接触时与n型半导体的相反。

空间电荷区电荷的积累

表面势的形成

造成能带的弯曲

表面态对接触势垒的影响

不同金属与同一半导体材料接触所形成的金属一侧的势垒高度相差不大，金属功函数对势垒高度没有多大影响。

表面能级

1.表面处存在一个距离价带顶为qФ₀的能级，若电子正好填满qФ₀以下的所有表面态时，表

面呈电中性；若qФ₀以下的表面态空着时，表面带正电，呈现施主型；若qФ₀以上的表面态被电子填空时，表面带负电，呈现受主型。对于大多数半导体，qФ₀约为禁带宽度的三分之一。

2.假设一个n型半导体存在表面态。半导体费米能级Ef将高于qФ₀，如果qФ₀以上存在有受

主表面态，则在qФ₀到Ef间的能级将基本被电子填满，表面带负电。如此，半导体表面附

近必定出现正电荷，成为正的空间电荷区，结果形成了电子的势垒，势垒高度qVD恰好使

得表面态上的负电荷与势垒区的正电荷数量相等，这里着重表明了势垒高度产生的第二层

原因。（第一层是金属与半导体接触）

3.当半导体的表面态密度很高的时候，Ws几乎与施主浓度无关。此时此刻，当D远大于原

子间距时，金属与半导体利用一根导线进行接触，同样有电子流向金属，但此时电子不是

来自于半导体体内，而是来自于受主表面态，若表面态密度很高，能放出足够多的电子，

则半导体势垒区的情形几乎不会发生变化。间隙D中的压降（Ws-Wm）/q，这时空间电荷

区的正电荷等于表面受主态上留下的负电荷与金属表面负电荷之和。当间隙D小到可以与

原子间距相比时，电子就可以自由地穿过它。

施主型

若能级被电子占据时呈电中性，释放电子后呈正电性，称为施主型表面态

受主型

能级空着的时候呈电中性，接受电子后呈负电性；

总结

当半导体表面态密度很高的时候，由于它可以屏蔽金属接触的影响，使半导体内的势垒高度

和金属功函数几乎无关，而基本上由半导体的表面性质所决定。

2金属半导体接触整流理论

定性分析

以n型半导体为例，表面势Vs < 0；半导体一侧的势垒高度即为qVD = - qVs。若此时，我们外加电压V于紧密接触的金属和半导体之间，由于阻挡层是高阻区域，因此电压主要降落在阻挡层上，势垒高度变为-q（Vs+V）

V>0

若V > 0，则会导致（Vs + V）降低，便会导致半导体一侧势垒高度降低，这时，从半导体流到金属的电子便会增加，多于从金属流到半导体的电子，便会形成从金属流向半导体的正向

电流。外加电压越大，势垒下降越多，正向电流也就越大。

V<0

若V<0，则（Vs + V）增加，便会导致半导体一侧势垒高度升高，从半导体流到金属的电子

会减少，少于从金属流到半导体的电子，会形成从半导体流向金属的反向电流，又因为金属

的势垒高度基本不会受V的影响，由于金属一侧的电子要越过相当高的势垒才能到达半导体

中，所以反向电流是很小的值。随着电压的增大，势垒高度越来越高，从半导体流向金属的

电子可以忽略不计，反向电流渐渐趋于饱和值。

1.这种厚度依赖于外加电压的势垒称为肖特基势垒。

2.若外加正向电压，V > 0 ，如此Vs + V便会降低，从而导致势垒宽度

压的增大，势垒宽度会越来越小；反之，则势垒宽度会越来越大。

势垒的电流密度

热电子发射理论

n型阻挡层很薄，适用于电子平均自由程远大于势垒宽度的情况.

在这种情况下，电子在势垒区的碰撞可以忽略，在这个时候，势垒的形状并不重要，起到决定作A*称为有效理查逊常数。

电子从金属到半导体所面临的势垒高度不随外加电压变化。所以，从金属到半导体的电子流

与扩散理论所得到的结果的区别在于JsT与外加电压无关，但却是一个更强烈地依赖于温度的函数。

镜像力和隧道效应的影响

即对理论的修正。

镜像力的影响

在金属—真空系统中，一个在金属外的电子，要在金属表面感应出正电荷，同时电子要收到正电荷的吸引。若电子距金属表面的距离为x，则它与感应正电荷之间的吸引力，相当于该电子与位于(-x)处的等量正电荷之间的吸引力，这个正电荷被称为镜像电荷，这个吸引力被称为

1.根据隧道效应原理，能量低于势垒顶的电子有一定几率可以穿过这个势垒，穿透的概率与

镜像力和隧道效应对反向特性的影响特别显著，它们引起势垒高度的降低，使反向电流增加，而且随反向电压的提高，势垒降低更显著，反向电流也增加得更多。