肖特基二极管的基本结构是由金属与半导体直接连接形成的。在前面章节中，也遇到过金属与半导体接触的问题，比如从PIN二极管两端引出连接线，从BJT或GTO的三个端子引出连接线等。显然，这些金属与半导体接触并不体现出明显的单向导电性，即不构成二极管，否则会影响器件本身的导电。所以，研究金属-半导体接触问题，并了解其特性，具有重要意义。当金属与半导体接触时，若两者的接触有单向导电性，即整流作用，则叫整流接触，反之不具有整流作用的叫欧姆接触。整流接触和欧姆接触在半导体器件中都有重要应用，当半导体器件需要向外引出连线时，就要求是欧姆接触，欧姆接触可等效为一个小电阻。金属-半导体接触在什么情况下是整流接触，在什么情况下是欧姆接触，取决于金属与半导体相接触时在半导体表面上形成一个势垒的情况，这种因金属-半导体接触引起的表面势垒，通常称为“肖特基势垒”。

所谓势垒，一般都是能带弯曲形成的能级的差值，所以首先要从金属和半导体的能带来分析。在第2章中已经说明，对于半导体来说，有明确的价带和导带，两带之间存在一定宽度的禁带。而金属只有导带，没有价带和禁带，在绝对零度时，其全部电子只能填满其对应能带的下半部，上半部则完全空着。此时就不能使用能带来定量分析金属中的电子行为，而是使用更广泛意义的功函数来描述。

功函数是指电子脱离原子进入周围空间，即真空能级所需要的能量。功函数是固体元素和化合物的重要物理性质之一，反映了固体元素和化合物对电子的约束能力。如前所述，费米能级是一个电子系统平均电子能量的量度，因此无论对于金属还是半导体，其功函数都定义为其费米能级与真空能级的差，按照本书的习惯，约定真空能级为零，则有

式中W_M、W_S——金属和半导体的功函数；

E_FM、E_FS——金属和半导体的费米能级。

角标M表示金属（Metal），S表示半导体（Semiconductor）。

金属的费米能级可认为是金属中电子的最高能量，所以金属的功函数也就是电子脱离金属至真空能级所需要的最低能量；而半导体中能量最高的是导带中的电子，导带底部的能级为E_C，其费米能级位于导带底部，具体位置跟掺杂浓度有关。同时半导体中电子亲和力是真空能级与导带底部之间的差，一般使用χ表示，则半导体的功函数为

W_S=-E_FS=-E_C+E_C-E_FS=χ+（E_C-E_FS） （4-2）

图4-1中给出了金属和半导体功函数的示意图，对于功函数不同的金属和半导体而言，两者的费米能级不相等，两者功函数的差就是费米能级的差。当金属和半导体紧密接触时，费米能级之差就会引起电子的运动，与PN结中的P型和N型半导体接触的情况类似，不过具体情况要更复杂一些。根据半导体的类型（P型或N型）以及金属和半导体功函数之间的大小关系（W_M>W_S或者W_M<W_S），可分为4种情况，其中有2种情况使金属和半导体的接触可以形成整流接触。

若把N型半导体与一个功函数比它大的金属紧密接触（见图4-1的金属和半导体），则W_M>W_S，E_FM<E_FS。此时金属的费米能级小于半导体的费米能级，金属中虽有大量的电子，但它们的能量大都低于N型半导体的导带底部E_C，因而大部分电子无法进入半导体中。而N型半导体中的电子能量却比较高，因此一部分电子很容易进入金属。电子在金属与半导体之间进行交换的结果就使金属因多余电子而带负电，而N型半导体因缺少电子而带正电。金属中的负电荷是以电子形式出现的，其密度可以很高，在N型半导体中正电荷的吸引下，这些多余电子就集中在界面处的金属薄层中。半导体中的正电荷是以施主离子形式出现的，它们分布在一定厚度的区域中，形成空间电荷区。和PN结类似，在空间电荷区中能带将发生弯曲，形成势垒。当势垒达到一定高度，以至于N型半导体中能够越过势垒而进入金属的电子数和从金属越过势垒进入N型半导体的电子数一样多时，就达到了平衡，即金属与半导体的费米能级相等，平衡后的金属和半导体接触如图4-2所示。平衡后，在金属和半导体的接触面形成了稳定的势垒，整个势垒主要位于半导体表面的区域中，而在金属的区域极薄，这种势垒称为表面势垒（肖特基势垒），势垒中电场的方向从N型半导体指向金属。而势垒高度用半导体的能带弯曲大小来表示，即：

qU_D=W_M-W_S （4-3）

图4-1 金属和半导体的 功函数示意图

图4-2 金属-N型半导体 形成的势垒

在半导体内只有获得qU_D能量的电子才能越过势垒，由半导体进入金属。而从金属方面看，电子只有具有获得从E_FM到半导体导带底部E_C的能量才能越过势垒，由金属进入半导体中，金属一侧的势垒高度更高，为

qϕ_M=E_C-E_FM=W_M-χ=qU_D+（E_C-E_FS） （4-4）(www.daowen.com)

对于P型半导体，若P型半导体的功函数大于金属的功函数，即W_M<W_S，E_FM>E_FS，接触前和接触平衡后的示意图如图4-3a和b所示，则在紧密接触时，金属中的电子转移到半导体的价带中（或者说半导体价带中的空穴跑向金属），于是金属带正电，半导体带负电，这些负电荷以电离受主杂质的形式分布在P型半导体靠近表面处的空间电荷层内，其电场方向由金属指向半导体，所以这个表面势垒是阻挡空穴从半导体跑向金属的。

图4-3 W_M<W_S的金属-P型半导体接触

其势垒高度为

qU_D=W_S-W_M （4-5）

从金属方面看，势垒高度为

qϕ_M=E_FM-E_V=qU_D+（E_FS-E_V） （4-6）

若把N型半导体同一个功函数比它小的金属紧密接触，则W_M<W_S，E_FM>E_FS。此时，由于金属的费米能级高于半导体的，电子从金属流向半导体，在半导体表层形成由电子累积而成的高密度负电荷区，产生方向由金属向半导体的电场，使能带向下弯曲，如图4-4所示。能带向下弯曲意味着导带底在表层比在体内距费米能级更近，甚至可能弯到费米能级之下。这样的半导体表层不能阻挡电子的转移，因而称之为反阻挡层。反阻挡层是一个很薄的高电导层，对金属-半导体接触不产生明显的附加阻挡，是一种欧姆接触。而P型半导体同一个功率函数比它大的金属紧密接触，即W_M>W_S、E_FM<E_FS时的情况如4-5所示，这也是一种欧姆接触。

图4-4 W_M<W_S的金属-N型半导体

图4-5 W_M>W_S的金属-P型半导体

在这里必须补充说明两点，以便对肖特基势垒有更正确的理解。

1）前面讨论的都是金属与半导体之间紧密接触的情况，如果两者不是紧密接触，会有一部分接触电势差落在两者的间隙上。

2）实际上，实测的金属-半导体的肖特基势垒高度值与金属的功函数关系不大，其主要原因是半导体的表面特性。金属和半导体接触形成的过程是在一个半导体表面上覆盖一薄层金属，或者靠压力把金属件压到半导体的表面上，所以在金属与半导体接触前，半导体表面情况至关重要，需要使用表面态的概念，表面态的存在使独立存在的半导体表面已经发生能带弯曲，形成势垒，已经与前面分析假设的平直能带有所不同。

这两点已经超出本书的分析范围，同时也不妨碍对肖特基二极管基本结构和工作原理的理解，此处不再予以展开。