半导体器件物理2课件

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1、MESFET及相关器件现代半导体器件物理PhysicsofModernSemiconductorDevices2004,7,30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与MOSFET相似之处：具有相似的电流-电压特性。不同之处：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；源极与漏极部分，MESFET以欧姆接触取代MOSFET中的p-n结。MESFET2SiOL+n+njrZdp衬底z)(yEy)(xEx源极栅极漏极2SiOL+n+njrZdp衬底衬底z)(yEy)(xExz)(yEy)

2、(xEx源极栅极漏极金-半接触可分为两种形式：整流性与非整流的欧姆性。功函数定义为费米能级和真空能级之差。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-半导体接触独立金属能带图独立n型半导体能带图金属的功函数半导体的功函数金-半接触并处于热平衡时，两者费米能级相同，真空能级必须连续理想状况下，金属与n型半导体的势垒高度能带情况金属与p型半导体势垒高度金属-半导体接触在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则Vbi为电子由半导体导带上欲进入金属时遇到的内建电势金属-半导体接触qVn势垒降低了VF金属-半导体接触偏压为零正向

3、偏压反向偏压势垒提高了VR（+）（-）（+）（-）（+）（-）（+）（-）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。电荷分布与单边突变的p+-n结的情况相同。在xw处，ρs=0电场大小随着距离增加而线性变小金属-半导体接触金-半接触的电荷与电场分布最大电场Em发生在界面处降落在空间电荷区的电压为图中电场曲线下的面积耗尽区宽度W可表示为半导体内的空间电荷密度QSC其中对正向偏压，V为+VF；对反向偏压，V为-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：即将l/C2对V作微分，重新

4、整理可得杂质的分布对于均匀掺杂情况，即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，则势垒高度由下式求得金属-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-半导体接触指一具有大的势垒高度(即Bn或Bp>>kT)，以及掺杂浓度比导带或价带的态密度低的金属-半导体接触。电流的传导机制与p-n结不同，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-半导体接触热平衡时电流密度由两个大小相等、但方向相反的载

5、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-半导体接触正向偏压时跨越势垒的静电势差降低，因此表面的电子浓度增加由电子流出半导体所产生的电流Js→m也因此以同样的因数增大金属-半导体接触因势垒Bn维持与平衡时相同，由金属流向半导体的电子流量维持不变正向偏压下的净电流为：反向偏压的净电流的表示式与上式相同，只是其中的VF被替换成-VR系数C1NC=A*T2．A*的值视有效质量而定，对n型与p型硅而言，其值分别为110和32，而对n型与p型砷化镓而言，其值分别为8和

6、74。金属-半导体接触其中Js为饱和电流密度，而外加电压V在正向偏压的情况下为正，反向偏压时则为负。由肖持基二极管实验所得的I-V特性。将正向I-V曲线延伸至V=0，可以获得Js，由上式即可求得势垒高度。金属与n型半导体接触也存有少数载流子(空穴)电流，它是由金属中的空穴注入半导体所产生。空穴的注入与p+-n结的情况相同。其电流密度为在正常工作情况下，少数载流子电流大小比多数载流子电流少了几个数量级。因此，肖特基二极管被视为单极性器件，亦即主要由一种载流子来主导导通的过程。金属-半导体接触肖特基二极管被视为单极性器件的原因例2：对ND=1016cm-3的

7、钨-硅肖特基二极管而言，请由下图求出势垒高度与耗尽区宽度。假设硅中少数载流子的寿命为10-6s，比较饱和电流Js与Jpo。解：由图可得Js=6.5×10-5A/cm2，因此势垒高度可由得到：内建电势为Bn-Vn，其中因此金属-半导体接触当V=0时，热平衡时的耗尽区宽度为为了计算少数载流子电流密度Jpo，须知道Dp，对浓度ND=1016cm-3而言，其值为10cm2/s，而两电流密度间的比为比较可见，多数载流子电流是少数载流子电流的7次方倍。因此金属-半导体接触当金属-半导体接触的接触电阻相对于半导体主体或串联电阻可以忽略不计时，则可被定义为欧姆接触。欧

8、姆接触的一个指标为比接触电阻Rc，其定义为低掺杂浓度的金属-半导体接触，热电子发