金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)

金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)

在絕對(duì)零度時(shí)，金屬中的電子填滿(mǎn)了費(fèi)米能級(jí)EF以下的所有能級(jí)，而高于EF的能級(jí)則全部空著。在一定溫度下，只有EF附近的少數(shù)電子受到熱激發(fā)，由低于EF的能級(jí)躍遷到高于EF的能級(jí)上去，但是絕大部分電子仍不能脫離金屬而逸出體外。這表明金屬中的電子雖然能在金屬中自由運(yùn)動(dòng)，但絕大多數(shù)所處的能級(jí)都低于體外能級(jí)。要使電子從金屬中逸出，必須由外界給它以足夠的能量，克服固體和真空能級(jí)之間存在的勢(shì)壘。若用E0表示真空中靜止的電子能量，則一個(gè)起始能量等于EF的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小能量為：WM稱(chēng)為金屬的電子功函數(shù)，功函數(shù)的大小標(biāo)志著電子在金屬中束縛的強(qiáng)弱，WM越大，電子受束縛越強(qiáng)。

在半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶底Ec一般比E0低幾個(gè)電子伏特。半導(dǎo)體的功函數(shù)：半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)隨雜質(zhì)濃度變化，因而Ws也與雜質(zhì)濃度有關(guān)。同一種半導(dǎo)體材料中，P型半導(dǎo)體的電子功函數(shù)大于N型半導(dǎo)體的電子功函數(shù).

把半導(dǎo)體中的電子從導(dǎo)帶底轉(zhuǎn)移到真空能級(jí)所需能量定義為半導(dǎo)體的電子親和勢(shì)：

則半導(dǎo)體的功函數(shù)：圖8.4N型半導(dǎo)體的功函數(shù)§8.4 金屬和半導(dǎo)體的接觸

設(shè)想有一塊金屬和一塊n型半導(dǎo)體，它們有共同的真空靜止電子能級(jí)，假定金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)，即WM>WS它們接觸前，尚未達(dá)到平衡時(shí)的能級(jí)圖為(圖a)顯然，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)EFN高于金屬的費(fèi)米能級(jí)EFM,且：(圖a)接觸前能帶圖金屬半導(dǎo)體由于空間電荷的存在，在接觸處產(chǎn)生自建電場(chǎng)，阻止電子繼續(xù)從半導(dǎo)體向金屬流動(dòng)。這種電子的流動(dòng)一直持續(xù)到系統(tǒng)中費(fèi)米能級(jí)相等為止，達(dá)到平衡狀態(tài)，金屬和半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)相等。它們之間的電勢(shì)差完全補(bǔ)償了原來(lái)費(fèi)米能級(jí)的不同。面帶正電。它們所帶電荷在數(shù)值上是相等的，整個(gè)系統(tǒng)仍保持電中性，結(jié)果降低了金屬的電勢(shì)，提高了半導(dǎo)體的電勢(shì)，在接觸面形成了一個(gè)電勢(shì)差。當(dāng)它們的電勢(shì)發(fā)生變化時(shí)，其內(nèi)部的所有電子能級(jí)及表面處的電子能級(jí)都隨同發(fā)生相應(yīng)的變化。使它們接觸，則成為一個(gè)統(tǒng)一的電子系統(tǒng)。由于EFN高于EFM，半導(dǎo)體中的電子將向金屬流動(dòng)，使金屬表面帶負(fù)電，半導(dǎo)體表x0WMWMSeV0WSeV0(a)圖8.7金屬與N型半導(dǎo)體接觸這個(gè)由接觸而產(chǎn)生的電勢(shì)差稱(chēng)為接觸電勢(shì)差。由于金屬中有大量的自由電子，接觸前后電子濃度變化很小，則其費(fèi)米能級(jí)基本不變；而受接觸后電子流動(dòng)的影響，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于金屬費(fèi)米能級(jí)下降了(WM－WS)。x0WMWMSeV0WSeV0(a)圖8.7金屬與N型半導(dǎo)體接觸設(shè)半導(dǎo)體和金屬接觸面間的電勢(shì)差為V0，則有：小得多，所以認(rèn)為：緊密接觸時(shí)，接觸電勢(shì)差全部發(fā)生在半導(dǎo)體一側(cè)。x0WMWMSeV0WSeV0(a)圖8.7金屬與N型半導(dǎo)體接觸當(dāng)空間電荷Q相等時(shí)，接觸電勢(shì)差與空間電荷層厚度成比例。金屬中空間電荷區(qū)厚度很小,10-6～10-7cm，而在半導(dǎo)體中為10-4cm或更大。因此，金屬空間電荷層中的電勢(shì)差比半導(dǎo)體的自建電場(chǎng)強(qiáng)度為：半導(dǎo)體中空間電荷層厚度為x0，也是半導(dǎo)體表面載流子濃度被改變的厚度。x0WMWMSeV0WSeV0(a)圖8.7金屬與N型半導(dǎo)體接觸表面勢(shì)Vs：定義半導(dǎo)體表面和體內(nèi)之間的電勢(shì)差.

緊密接觸時(shí)，接觸電勢(shì)差全部發(fā)生在半導(dǎo)體一側(cè)。則有：

時(shí)，電子從半導(dǎo)體流向金屬，半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷區(qū)，主要由電離施主形成。其中電場(chǎng)方向由體內(nèi)指向表面，則VS<0，半導(dǎo)體表面電勢(shì)低于體內(nèi)電勢(shì)，因而表面電子能量高于體內(nèi)，能帶向上彎曲，形成表面電子勢(shì)壘，表面空穴勢(shì)阱。

x0WMWMSeV0WSeV0(a)圖8.7金屬與N型半導(dǎo)體接觸金屬的電子勢(shì)壘：半導(dǎo)體的電子勢(shì)壘：接觸表面層稱(chēng)為耗盡層，又稱(chēng)阻擋層。

，接觸表面層的多子電子濃度減少，形成電導(dǎo)率比體內(nèi)小的薄層，這種對(duì)于N型半導(dǎo)體

時(shí)，電子從半導(dǎo)體流向金屬，半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷區(qū)，主要由電離施主形成。其中電場(chǎng)方向由體內(nèi)指向表面，則VS<0，半導(dǎo)體表面電勢(shì)低于體內(nèi)電勢(shì)，因而表面電子能量高于體內(nèi)，能帶向上彎曲，形成表面電子勢(shì)壘，表面空穴勢(shì)阱。

，接觸表面層的多子空穴濃度增加，形成電導(dǎo)率比體內(nèi)大的薄層，

這種接觸表面層稱(chēng)為積累層，又稱(chēng)反阻擋層。(a)圖8.8金屬與P型半導(dǎo)體接觸x0WMWMSWSeV0對(duì)于P型半導(dǎo)體

時(shí)，電子從金屬流向半導(dǎo)體，半導(dǎo)體表面形成一個(gè)負(fù)的空間電荷區(qū)。其中電場(chǎng)方向由表面指向體內(nèi)，則VS>0，半導(dǎo)體表面電勢(shì)高于體內(nèi)電勢(shì)，因而表面電子能量低于體內(nèi)，能帶向下彎曲，形成表面電子勢(shì)阱，表面空穴勢(shì)壘。，接觸表面層的多子電子濃度增加，形成

電子表面積累層。圖8.7金屬與N型半導(dǎo)體接觸x0WMWMSWSeV0(b)對(duì)于N型半導(dǎo)體

時(shí)，電子從金屬流向半導(dǎo)體，半導(dǎo)體表面形成一個(gè)負(fù)的空間電荷區(qū)。其中電場(chǎng)方向由表面指向體內(nèi)，則VS>0，半導(dǎo)體表面電勢(shì)高于體內(nèi)電勢(shì)，因而表面電子能量低于體內(nèi)，能帶向下彎曲，形成