半導体のバンド曲がり：原理と実例

1.接合前

仕事関数は「フェルミ準位E_Fと真空準位E_vacのエネルギー差」として定義されます。この場合、半導体の伝導体の電子は金属の伝導電子よりも高いエネルギーを持っています。

半導体のバンド理論

2.接合直後

金属とn型半導体を接合すると、半導体の伝導電子が金属の伝導電子よりも高エネルギーなため(半導体の方がE_Fが大きい為)、接合界面近くの電子が金属に移動します。

この時、金属のフェルミ準位E_F,mが上昇、半導体のフェルミ準位E_F,sが下降します。両者のエネルギー差が無くなるまで電子は移動します。半導体にはイオン化したドナーが取り残されます。

3.接合後(平衡状態)

接合により電子が移動し、半導体が正・金属が負に帯電するため、界面に電気二重層が生成します。結果、半導体から金属への電界が発生します。

半導体のキャリア密度は金属よりも極端に低く、電子移動により生成する空乏層は半導体側に大きく広がります。

半導体に生じた空乏層・電界はエネルギー障壁として働くため、接合界面における半導体のバンドは上側に曲がります。

1.接合前

仕事関数は「フェルミ準位E_Fと真空準位E_vacのエネルギー差」として定義されます。この場合、金属の伝導電子は半導体の伝導電子よりも高いエネルギーを持っています。

半導体のバンド理論

2.接合直後

金属とn型半導体を接合すると、金属の伝導電子が半導体の伝導電子よりも高エネルギーなため(半導体の方がE_Fが大きい為)、接合界面近くの電子が半導体に移動します。

この時、金属のフェルミ準位E_F,mが上昇、半導体のフェルミ準位E_F,sが下降します。両者のエネルギー差が無くなるまで電子は移動します。

3.接合後(平衡状態)

接合により電子が移動し、平衡状態に達すると、金属表面には正電荷が、半導体表面には電子が蓄積して負電荷が生じます。

ショットキー接合とは異なり、半導体からの電子移動がなく、ドナーがイオン化されないため電位障壁(空乏層)は形成されません。すなわち、半導体-金属界面にエネルギー障壁が掲載されないため、金属・半導体のどちらの方向からでも電流は流れます。

半導体表面は金属から伝導電子を受け取ったため、エネルギーは低下します。つまり、バンドは下方へと曲がります。

真性半導体の場合

バルクのフェルミ準位E_F(bulk)と表面準位のフェルミ準位E_F(surf)にエネルギー差がないことから、半導体バルク-表面間で電子移動は起こりません。

すなわち、バンド曲がりは発生しません。

1.非平衡状態

n型半導体の場合、バルクのフェルミ準位E_F(bulk)は真性半導体よりもより伝導帯に近い位置にシフトします。

つまり、n型半導体のフェルミ準位E_F(bulk)は表面準位E_F(surf)よりも大きい状態となるため、バルクから表面に電子移動が起こります。

2.平衡状態

電子移動は、バルクと表面のフェルミ準位が等しくなる平衡状態となるまで起こります。

電子移動により、バルクのイオン化ドナーと負に帯電した表面準位により電気二重層が形成されます。結果、バルクから表面への電界が発生します。

バルクに生じた空乏層・電界はエネルギー障壁として働くため、接合界面における半導体のバンドは上側に曲がります。