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第五单元 金属与半导体 金属—半导体界面对所有半导体器件的研制与制备都是不可缺少的。 金属—半导体接触出现两个最重要的效应：一是整流效应，又称整流接触；一是欧姆接触，又称非整流效应。 金属—半导体器件分两类：肖特基势垒二极管和肖特基势垒场效应晶体管 一.肖特基势垒 金—半接触之所以能形成势垒根本原因是它们有着 不同的功函数。 这个能量一方面用来克服被拉电子与金属晶格和其他电子之间的相互作用，另一方面用来克服金属表面上可能存在的偶极矩。所以，功函数的大小反映着电子被物体束缚的强弱。 1.金属半导体功函数 金属功函数： (5-1) 一般金属的功函数为几个电子伏特，金属铯最低为1.93eV，金属铂最高为5.36eV。 金属的费米能级，电子从N型半导体流向金属，在半导体表面形成空间电荷区，半导体一边的势垒高度为： 势垒高度在数值上等于金属费米能级上的电子进入半导体导带所需要的能量。 在理想情况下金属和半导体接触即可能具有整流性质也可能具有欧姆接触性质，这取决于半导体的导电类型和金属与半导体的功函数。 (1) 金属与N型半导体接触，若WmWS。 半导体表面形成一正的空间电荷区，电场方向由体内指向表面，能带向上弯曲，形成表面势垒。 (2)金属与N型半导体接触，若WmWS。 半导体表面形成一负的空间电荷区，电场方向由表面 指向体内，能带向下弯曲，形成表面高电导区域 ，称为 反阻挡层。 (3)金属与P型半导体接触，若WmWS。 半导体表面形成一正的空间电荷区，电场方向由体内指向表面，能带向上弯曲，形成表面高电导区域，称为反阻挡层。 (4)金属与P型半导体接触，若WmWS。 半导体表面形成一负的空间电荷区，电场方向由表面指向体内，能带向下弯曲，形成表面空穴势垒区，称为阻挡层。 3.加偏压肖特基势垒 理想肖特基势垒和单边 突变PN结非常相似。可 以用耗尽层近似来推导肖 特基势垒区中的电场强度 、电势分布和扩散电势 (从半导体一侧看的势垒 高度)。 4.肖特基势垒的巴丁模型 同一种半导体与不同的金属形成的势垒高度由于其金 属功函数的不同而不同。 实验证明，对于禁带宽度较大、离子健较强的半导体 如二氧化硅、氧化锌、硫化铜等上述结论是正确的。但 是，对于禁带宽度较小、共价健较强的半导体如锗、硅 等，式(5-7)就不能成立。这类共价健半导体的势垒高度 几乎与所用金属的功函数无关，只和半导体的种类有关。 同一种半导体与不同金属形成的势垒高度几乎是一个常 数。 各种金属与二氧化硅、硅、硒化镓相接触时势垒高度的实测数值。 为金属的电子亲合势。它与金属功函数只差一个常数。S为直线的斜率。 巴丁用高密度表面态模型解释了这种与金属功函数几乎无关的肖特基势垒，故称为巴丁模型。 巴丁模型：共价键半导体表面存在大量的表面态。这些表面态来源于表面晶格周期排列中断造成的悬挂键(这称为本征表面态)和吸附的外来原子(称为非本征表面态)。从这种半导体表面流到金属的电子主要来自表面态，因此接触势垒与金属种类无关。由于离子健较强的半导体的表面不存在悬挂键引起的本征表面态，故它的势垒高度服从式(5-7)。 设表面态连续地分布于禁带之中，它的特性由表面态中性能级 表示。当 以下的能级全部被电子占据而 以上的能级全空时，表面处于电中性。 没有表面态时，金—半接触的电中性条件为： （5-15） 有表面态时，金—半接触的电中性条件为： （5-17） 如果表面态密度