mesfet及相关器件课件

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1、MESFET及相关器件现代半导体器件物理与工艺PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices本章内容金属-半导体接触金半场效应晶体管调制掺杂场效应晶体管MESFET具有与MOSFET相似的电流-电压特性。然而在器件的栅电极部分，MESFET利用金属-半导体的整流接触取代了MOSFET的MOS结构；而在源极与漏极部分，MESFET以欧姆接触取代MOSFET中的p-n结。MESFETMESFET与其他的场效应器件一样，在高电流时具有负的温度系数，即随着温度的升高电流反而下降。因此即使是使用大尺

2、寸的有源器件或将许多器件并接使用时，仍可维持热稳定。此外，由于MESFET可用GaAs、InP等具有高电子迁移率的化合物半导体制造，因此具有比硅基MOSFET高的开关速度与截止频率。MESFET结构的基础在于金半接触，在电特性上它相当于单边突变的p-n结，然而在工作时，它具有多数载流子器件所享有的快速响应。MESFET金-半接触可分为两种形式：整流性与非整流的欧姆性。右上图即为一金属-半接触的结构示意图。右下图所示为一独立金属和一独立n型半导体的能带图。值得注意的是，一般金属的功函数qm并不同于半导体的功函数qs。功函数定义为费米能级

3、和真空能级之差。图中也标示了电子亲和力qχ，它是半导体导带端与真空能级的能量差。基本特性金属-半导体接触当金属与半导体紧密接触时，两种不同材料的费米能级在热平衡时应相同，此外，真空能级也必须是连续的。这两项要求决定了理想的金半接触独特的能带图，如图所示。理想状况下，势垒高度qBn即为金属功函数与电子亲和力之差：基本特性：同理，对金属与p型半导体的理想结而言，其势垒高度qBp则为其中Eg为半导体的禁带宽度金属-半导体接触因此，对一已知半导体与任一金属而言，在n型和p型衬底上的势垒高度和，恰等于半导体的禁带宽度：在图中的半导体侧，Vbi为

4、电子由半导体导带上欲进入金属时遇到的内建电势，且其中qVn为导带底与费米能级问的距离。对p型半导体而言，也可获得类似的结果。金属-半导体接触图(a)所示为不同偏压情况下金属在n型半导体上的能带图。当偏压为零时，即处于热平衡的情况下，两种材料间具有相同的费米能级。如果在金属上施以相对于n型半导体为正的电压时，则半导体到金属的势垒高度将变小，如图(b)所示，由于势垒降低了VF，使得电子变得更易由半导体进入金属。当施以一反向偏压，将使得势垒提高了VR，如图(c)所示。因此对电子而言，将变得更难从半导体进入金属中。对p型半导体而言，我们可以获得相

5、似的结果，不过极性相反。金属-半导体接触对p型半导体而言，可以获得相似的结果，不过极性相反。金属-半导体接触图(a)与(b)分别为金-半接触的电荷与电场分布。假设金属为完美导体，由半导体迁移过来的电荷将存在于其表面极狭窄的区域内。空间电荷在半导体内的延伸范围为W，也就是说在xw处ρs=0。因此，其电荷分布与单边突变的p+-n结的情况相同。电场的大小随着距离增加而线性变小，最大电场Em发生在界面处，因此得到电场分布为金属-半导体接触图(b)中电场曲线下的面积，也就是降落在空间电荷区的电压耗尽区宽度W可表示为而半

6、导体内的空间电荷密度QSC则为其中对正向偏压，V为正VF；对反向偏压，V为负VR。金属-半导体接触每单位面积的耗尽区电容C则可由上式计算得到：即求得。将l/C2时V作微分，重新整理可得因此，利用测量所得单位面积电容C与电压V的关系，可由上式得出杂质的分布。若耗尽区的ND为定值，则1/C2对V作图可得一直线，且1/C2=0的截距即为内建电势Vbi，一旦Vbi已知，则势垒高度便可由金属-半导体接触例1：求出如图所示钨-硅二极管的施主浓度与势垒高度。解：由图得因为截距为0.42V，因此势垒高度为金属-半导体接触肖特基势垒指一具有大的势垒高度(即

7、Bn或Bp>>kT)，以及掺杂浓度比导带或价带上态密度低的金属-半导体接触。肖特基势垒中，电流的传导主要由多数载流子来完成，这与由少数载流子来进行电流传导的p-n结不同。对工作在适当温度(如300K)下的肖特基二极管而言，其主要传导机制是半导体中多数载流子的热电子发射越过电势势垒而进入金属中。肖特基势垒金属-半导体接触下图为热电子发射的过程。在热平衡时，电流密度由两个大小相等、但方向相反的载流子流组成，因此净电流为零。半导体中的电子倾向于流入金属中，并有一反向的平衡电子流由金属进入半导体中，其大小与边界的电子浓度成正比。金属-半导体接

8、触在半导体表面的电子若是具有比势垒高度更高的能量，便可以通过热电子发射而进入金属中。此处，半导体的功函数qΦs被qΦBn取代，且其中NC是导带中的态密度。在热平衡时可以得到其中Jm→s代表由金