1、黄君凯 教授,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
2、,3.1 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
3、面层杂质提供，如 情况）,（ 和 都一定，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
4、 ,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
5、 （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.
6、 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 0.3 V 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。,
