固体物理学：金属和半导体的接触原理
固体物理学：金属和半导体的接触原理
金属和半导体的接触是固体物理学中的一个重要研究领域，其中肖特基接触和欧姆接触是最常见的两种接触类型。本文将从功函数、费米能级等基本概念出发，探讨这两种接触的形成原理、能带图变化以及电流-电压特性。
金属与半导体形成的肖持基接触和欧姆接触
金属与半导体接触时，根据接触电阻的大小，可以分为肖特基接触（高阻接触）和欧姆接触（低阻接触）。接触界面处会形成阻挡层或反阻挡层，影响载流子的传输。
肖特基接触的电流—电压特性
肖特基接触的电流-电压特性可以通过扩散理论和热电子发射理论来解释。扩散理论认为电流是由载流子的浓度梯度驱动的，而热电子发射理论则认为电流是由热激发的电子跨越势垒形成的。这两种理论都能很好地描述肖特基势垒的定量特性。
欧姆接触的特性
欧姆接触的特点是接触电阻很小，载流子可以自由通过接触界面。其主要特征是电流与电压呈线性关系。
金属和半导体的功函数
金属的功函数Wm
金属的功函数Wm定义为电子由金属内部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。其计算公式为：
Wm = E0 - (WF)m
其中，E0为真空中电子的能量，又称为真空能级。
半导体的功函数Ws
半导体的功函数Ws定义为真空能级E0与费米能级EFs之差。其计算公式为：
Ws = E0 - (EF)s
其中，χ表示从导带底Ec到真空能级E0的能量间隔，称为电子的亲和能。其计算公式为：
χ = E0 - Ec
金属与半导体的接触及接触电势差
阻挡层接触
当一块金属和一块N型半导体接触时，如果金属的功函数大于半导体的功函数（Wm > Ws），则半导体的费米能级EFs高于金属的费米能级EFm。接触前，半导体导带的电子有向金属流动的趋势。接触时，费米能级趋于一致，在两类材料的表面形成电势差Vms：
Vms = (Ws - Wm) / q
紧密接触时，形成空间电荷区，接触电势差降落在空间电荷区。在金属与N型半导体接触时，若Wm > Ws，电子向金属流动，稳定时系统费米能级统一，在半导体表面一层形成正的空间电荷区，能带向上弯曲，形成电子的表面势垒。这个势垒区主要由电离施主形成，电子浓度比体内小得多，是一个高阻区域，称为阻挡层。电子必须跨越的界面处势垒通常称为肖特基势垒（Schottky barrier)。
金属－p型半导体接触的阻挡层
在金属与P型半导体接触时，空穴向下能量增加。由于P型半导体的多子是空穴，半导体多子流向金属后，留下带负电的电离受主杂质，即空间电荷区，能带向下弯曲。
金属－半导体接触的阻挡层
阻挡层是在半导体的势垒区形成的空间电荷区，它主要由正的电离施主杂质或负的电离受主形成，其多子浓度比体内小得多，是一个高阻区域，在这个区域能带向上或向下弯曲形成电子或空穴的阻挡。金属与N型半导体接触时，若Wm > Ws；金属与P型半导体接触时，若Wm < Ws。