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第七章 半导体的接触现象

半导体的接触现象主要有半导体与金属之间的接触（肖特基结和欧姆接触）、半导体与半导体之间的接触（同质结和异质结）及半导体与介质材料之间的接触。 §7-1 外电场中的半导体

无外加电场时，均匀掺杂的半导体中的空间电荷处处等于零。当施加外电场

时，在半导体中引起载流子的重新分布，从而产生密度为 (r)的空间电荷和强

度为 (r)的电场。载流子的重新分布只发生在半导体的表面层附近，空间电荷

将对外电场起屏蔽作用。

图7-1a表示对n型半导体施加外电场时的电路图。在图中所示情况下，半导体表面层的电子密度增大而空穴密度减小（见图7-1b、c），从而产生负空间电荷。这些空间电荷随着离开样品表面的距离的增加而减少。空间电荷形成空间电场

s，在半导体表面 s达到最大值 s0（见图7-1d）。空间电场的存在将改变表面

层电子的电势和势能（见图7-1e、f），从而改变样品表面层的能带状况（见图7-1g）。

电子势能的变化量为U(r) eV(r)，其中V(r)是空间电场（也称表面层电

场）的静电势。此时样品的能带变化为

Ec(r)

Ec U(r)

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Ev(r)=Ev U(r) （7-1）

本征费米能级变化为 Ei(r) Ei U(r)

杂质能级变化为 Ed(r) Ed U(r) （7-2）

由于半导体处于热平衡状态，费米能级处处相等。因此费米能级与能带之间的距离在表面层附近发生变化。无外电场时这个距离为

（Ec Ef）和（Ef Ev） （7-3）

而外场存在时则为

Ec U(r) Ef和Ef [Ev U(r)] （7-4）

比较（7-3）和（7-4）式则知如果Ec和Ef之间的距离减少U(r)，Ef与Ev之间的

距离则增加U(r)。

当外电场方向改变时，n型半导体表面层的电子密度将减少，空穴密度将增加，在样品表面附近的导电类型有可能发生变化，从而使半导体由n型变为p型，产生反型层，在离表面一定距离处形成本征区，此处的费米能级位于禁带的中央，见图7-2。在本征区附近导电类型发生变化的区域称物理pn结，这种由外场引起的物理pn结的特点是当外电场撤掉后，它就消失了。

下面分析外电场对一维n型非简并半导体的影响。由泊松方程可知外加电场引起的表面层电场 s和空间电荷 之间有以下关系

d s (x)

（7-5） dx 0 r

如果用电势的梯度表示电场，则 s

dV

，于是泊松方程可改写为 dx

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d2V (x)

（7-6） 2

0 rdx

假设半导体体内的电子密度为n0，由于半导体是非简并的，所以表面层的电子密

(U/K0T) （7-7） 度为 n Ncexp Ec U Ef /K0T n0exp

半导体的空间电荷密度由表面层的电离施主和自由电子密度决定。如果施主杂质

n0，表面层中的空间电荷密度则为 全部电离，即Nd

n) e(n0 n) en0(1 exp (U/K0T) （7-8） e(Nd

下面只对 K0T情况讨论，即对在外电场的作用下能带变化不大的情况进行分析。这时将exp( U/K0T)项展开成级数并只取前两项，则由（7-8）式得 en0U/K0T e2n0V(x)/K0T （7-9）

2

若引入L2（7-6）式可写为如下形式 d 0 rK0T/en0时，

d2VV

0 （7-10）

dx2L2d

这个方程的解为 V Aexp

xx

Bex （7-11） LdLd

因为当x 时，V 0，所以B=0，而在x=0处，V Vs。对于外加电场沿负x方向的n型半导体，由于Vs<0，从而A s。于是得到表面层电势

V(x) Vsexp

xx

Vsexp （7-12） LdLd

VsdVxxx

exp s0exp s0exp 7-13）表面层电场 s(x) dxLdLdLdLd

电子的势能 U(x) eV(x) esexp

xx

Usexp （7-14） LdLd

表面处空间电荷密度 s

en0

Us （7-15） K0T

总之，当半导体置于外电场时，表面层的电子和空穴的密度发生变化，能带发生弯曲。当Us>0时，能带上弯，空穴密度增加。此时，n型半导体表面层中

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少子密度增加，而p型半导体则多子密度增加；当Us<0时，能带下弯，电子密度增加。此时，n型半导体表面层中多子密度增加，而p型半导体则少子密度增加。（7-10）至（7-14）式中的Ld为空间电场强度减弱为表面电场强度的1/e时的距离，用来表征空间电荷对外场的屏蔽能力，通常称德拜屏蔽长度。金属的德拜屏蔽长度室温下约为10-8cm，而半导体的德拜屏蔽长度约为4 m。

§7-2 金属—半导体接触（肖特基结） 一．功函数

1．热电子发射。固体向真空发射电子需要一定的能量，这说明固体和真空间界面存在着阻止电子从固体表面逸出的势垒。因而只有能量大于该势垒的电子才能从固体发射出去。温度越高，电子获得的能量越大，有可能克服势垒发射的电子就越多，这种因热激发而发射电 …… 此处隐藏：9540字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……