半导体物理第三章1介绍.ppt

3.7.2 SBD势垒和表面态 上图所示的是未接触前的金属和N型半导体。除了费米能级和功函数标出了之外，还标注了从半导体导带底到E0能级的能量，称为电子亲和力，用 表示。其意义是使半导体导带底的电子脱离半导体最少需要的能量。 接触后，最终费米能级持平，空间电荷区主要集中在半导体一边。接触电势差： 但金属表面到半导体表面，间距 很小，基本认为没有电势差。 由于金属表面到半导体表面，相距很近，基本没有电势差，一个电子要从金属的费米能级跳到半导体的导带，所需要的能量和上图没有电势差的情况是一样的，这个能量就是SBD的势垒高度 ，即： 按照上述规律，在同一个半导体上（ 保持定值）用不同金属制成的SBD，其势垒高度应当是直接随着金属的功函数变化的，但实际测量的结果并不是这样。 （1）不同金属的功函数差别很大时，而对比起来，势垒高度的差别却很小。 （2）按照上述分析，若 ，将不能形成势垒（具有单向导电性的SBD），实际情况并非如此。比如，Al和n-Si是目前最广泛的SBD。 表面态问题： 半导体界面存在大量的表面态，当金属与半导体形成接触时，首先要与半导体表面态中的电子达到平衡。只要表面态最够多，态密度足够大，他们与金属间的这种相互作用将在很大程度上屏蔽金属对半导体的影响。 金属、表面态、半导体的费米能级高低不同，形成接触时将产生电子转移，造成SBD的空间电荷区和势垒，最后平衡。我们分两步讨论这个问题。 首先只考虑金属和表面态间的平衡。 WsW，在间隙 中产生从金属指向半导 体的电场，以及相应的电势差 。 （i） 使得金属的能带连同其费米能 级相对半导体下降了 （ii）表面态的费米能级升高了 ， 表面态问题： 强调：不考虑表面态时，表面间距很小，其中的电势差只占接触电势差的极少部分；考虑表面态后，在补偿Ws-W时 起主要作用（ 在1V数量级）。这意味着，金属和表面态电荷在间隙中产生的电场远远强于没有表面态时的空间电荷区电场。 再考虑平衡后的金属和表面态与半导体内取得平衡的问题。 由于半导体内部的费米能级高于金属和 表面态的费米能级，显然电子将从半导 流向金属和表面态，使它们构成一负电 荷层，同时在半导体一边形成一定厚度 正空间电荷区，在空间电荷区中的电势 差使半导体内的能带连同费米能级一起 下降，最终三个系统的费米能级达到一 个水平。 通常，认为金属、表面态一边的情况基 本不变（与前面讨论的平衡时一样）。 对于表面态很多、能态密度很大的情况， 变化很小，此时，不管和金属交换的电子有多少，表面态EF的变化十分微小，甚至可以认为 则： SBD的势垒高度与金属功函数的大小无关，完全由表面态的 决定。 在一般情况下金属功函数对 是有影响的（见教材分析）。 PN结中，势垒高度是直接和接触电势差相关的。在SBD中由于表面态的作用，从半导体到金属的电势差（即接触电势差）只有一部分降落在半导体空间电荷区，形成半导体一边的势垒，另一部分则集中降在间隙 中（ ），因此，半导体内的势垒高度并不等于接触电势差乘以 。在上图的情形中，半导体空间电荷区电势差的方向（从半导体向金属方向，电势下降）和在间隙 内电势差的方向（从半导体到金属，电势上升）是相反的；对于这样的情形，半导体内的电势差和接触电势差的方向甚至可以是相反的。 3.7.3 欧姆接触 实际的金属-半导体接触，一般都具有较高的表面态密度。因此，达到平衡时，界面处费米能级必然很接近原来的表面态费米能级（EF）s。一般来讲，大多数的主要半导体，（EF）s 在价带之上1/3Eg处。只要（EF）s在这样的位置，无论是N型还是P型半导体都将形成势垒。 既然一般情况下都形成势垒，为什么半导体杂质浓度很高时，可以做成欧姆接触？？ 在半导体掺杂浓度很高时，电子可以借隧道效应穿过势垒。 隧道效应的特点是：概率十分强烈地依赖于隧道长度L和高度h，当它们缩短到一定程度时，穿透概率就迅速上升。这是和热电子发射完全不同的。 对于金属-半导体接触，隧道长度就是空间电荷区的宽度，而后者是和半导体掺杂浓度的平方根成反比的（单边突变结），低掺杂浓度时，空间电荷区很宽，隧道穿透可以忽略，主要是热电子发射，当掺杂浓度很高时，空间电荷区很窄，隧道电流占主导地位，电流迅速增大，就形成了低阻的欧姆接触。 接触电阻是由势垒高度和半导体掺杂浓度两个因素决定的。因此，半导体掺杂浓度到底多高时才能获得良好的欧姆接触，是和接触势垒的高度有关的。 利用已学半导体物理知识，通过查阅资料，结 合自己的理解试阐述PN结硅基太阳能电池和半 导体发光二极管的基本原理。请特别列出与所 学教材相关的概念（定义）、物理过程及物理 规律（