极型半导体器件1

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1、第三章单极型半导体器件晶体管双极型晶体管（结型晶体管）：有两种载流子（电子、空穴）参与工作。单极型晶体管（场效应晶体管）：只有一种极性载流子参加工作，而且是多子。单极型晶体管结型场效应晶体管（JFET）：体内场效应晶体管。金属-半导体场效应晶体管（肖特基场效应晶体管）（MESFET）：体内场效应晶体管。黄君凯教授绝缘栅场效应晶体管（金属-绝缘体-半导体场效应晶体管）（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）（IGFET：MISFET，MOSFET）：表面场效应晶体管。基本结构金属-半导体结构（M-S结构）。金属–氧化物–半导体结构（MOS结构）。黄君凯教授3.

2、1金属–半导体接触3.1.1金属–半导体结构一、热平衡时的能带结构1.几个物理量电子的真空能级：半导体内部电子处于势阱中运动，电子从其中逸出体外刚好处于静止时的能量。功函数：一个起始能量等于的电子逸出材料体内进入真空中所需的最小能量，是以电势表示的功函数。其中金属功函数为：（3-1）黄君凯教授半导体功函数为：（3-2）因此，与掺杂情况有关。电子亲和能：半导体导带底电子逸出到真空中所需的最小能量。（3-3）式中称为电子亲和势，与掺杂无关，仅由材料决定。空间电荷区扩散运动空间电荷区内建电场漂移运动热平衡M-S结（仅由半导体表面层杂质提供，如情况）（和都一定，

3、没有净电流）热平衡下的能带结构黄君凯教授能带结构（Al-n-Si）黄君凯教授能带弯曲，形成势垒。半导体势垒：金属势垒（肖特基势垒高度）（3-4）（3-5）[注意]能带弯曲判断方法：越大处电势越高，但该处电子能量越低。黄君凯教授势垒阻挡层（肖特基势垒）：对多子其阻挡作用（电阻高）。反阻挡层（肖特基势阱）：对多子起“反”阻挡作用（电阻低）。由式（2-32）得出，肖特基势垒宽度为：（3-6）[例题7]画出金属（功函数）-半导体（功函数）结（包括n、p型）四种平衡状态的能带图。黄君凯教授[分析]黄君凯教授二、非平衡时的能带结构判断MS结正反偏置依据分析和方向是否

4、能带结构平衡非平衡相反：正向偏置相同：反向偏置势垒电阻高电阻低动力：外加电源提供净电流流动黄君凯教授黄君凯教授2.电容效应类似于结，外偏压下半导体耗尽层宽度W将改变，空间电荷也将改变，故存在势垒电容。由式（2-36）（2-37）易证明，MS结单位面积势垒电容可写成：（3-7）这里：（3-8）因此，通过实验测量的曲线，依据式（2-39）（2-40）便可求出半导体势垒高度及其体内的杂质浓度分布。黄君凯教授[例题8]金属a，b分别与等面积的两种（且迁移率相同）A和B形成肖特基整流接触，这两个MS结的实验曲线如下图，判断哪种半导体硅的电阻率较大？哪种金属的功函数

5、较高？[解]对MS结，因成立，对右图有故，又电阻率故。黄君凯教授由于两个MS结都形成整流接触，由能带图易知有：式中：（室温下）由于：，故因此：黄君凯教授3.1.2伏安特性及肖特基二极管1.定性分析（1）正偏势垒高度随改变多子电流(正向电流)随增加而增大不随改变，且反向电流极小（2）反偏下势垒高度升高多子电流很小不随改变，且反向电流极小（本身很高）一、整流接触情况下的伏安特性黄君凯教授2.MS结整流方程理论结果如下：式中为饱和电流，其表达式与计算时采用的模型有关。二、肖特基二级管肖特基二级管利用金属-半导体基流接触特性制成的二极管称肖特基二极管。肖特基二极

6、管方程经验结果如下：（3-9）黄君凯教授其中，反向饱和电流与电压无关，，称为二极管发射系数。对Si而言，导通电压通常仅有0.3V左右。[注意]肖特基二极管正向电流由半导体多子进入金属形成，因而不发生积累，便直接成为漂移电流流走，故比pn结二极管具有更好的高频特性。黄君凯教授3.1.3非整流接触：隧道欧姆接触非整流接触（欧姆接触）特点接触电阻很小，具有线性和对称的伏安特性。隧道欧姆接触半导体重掺杂下的M-S接触称为隧道欧姆接触。因这时半导体势垒宽度很小，易发生隧道效应，隧道电流成为二极管电流主要部分。这种电流具有近似线性和对称的伏安关系，故接触电阻很小。黄

7、君凯教授黄君凯教授MS结整流接触：接触本身产生明显阻抗，具有阻挡特性。例如当，时形成的肖特基势垒。非整流接触（欧姆接触）：接触本身不产生明显阻抗，具有非阻挡（欧姆）特性。（1）隧道欧姆接触：接触区中的半导体重掺杂，直至简倂。（2）肖特基欧姆接触：在接触区中形成多子积累的反阻挡层（肖特基势垒）。例如当时形成的肖特基势阱。[注意]由于表面态原因，这种接触在工艺上无法做到。黄君凯教授