第四章单极型器件（课件）.ppt

半导体器件物理 第四章： 单极型器件 §4.1 金半接触 §4.2 肖特基势垒二极管 §4.3 欧姆接触 §4.4 结型场效应晶体管 §4.5 肖特基栅场效应晶体管 §4.6 异质结MESFET 简介 单极型器件是指基本上只有一种类型的载流子参与导电过程的半导体器件。 主要讨论以下五种类型的单极型器件： 金属半导体接触； 结型场效应晶体管（JFET）； 金属半导体场效应晶体管（肖特基栅场效应晶体管MESFET）； 金属氧化物半导体二极管； 金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET） 金半接触： 在电学性能上类似于单边突变结，但能作为具有高速响应特性的多数载流子工作器件来用。重掺杂半导体上的金半接触是欧姆接触的最重要形式。 JFET： 基本上是一个由电压控制的电阻。这种器件利用一个反向偏置的pn结作为栅电极去控制电阻，从而控制两个欧姆结之间的电流。 MESFET： 类似于JFET，MESFET用金半整流接触去代替pn结作栅电极。JFET和MESFET可以用具有高电子迁移率的半导体材料制造，对于高速IC，具有非常好的优点。其次，FET在大电流下具有负温度系数，即电流随温度的增加而减小，这个特点导致更均匀的温度分布，而且即使有源面积很大，或在许多器件并联使用时，其热稳定性非常好。 §4.1 金属—半导体接触 第一个实用的半导体器件是由金属－半导体点接触形成的整流器，是一根金属触须压在半导体表面上构成的，这种半导体器件从1904年开始已经得到很多应用。 金属—半导体接触可形成整流器。1938年，肖特基提出，半导体内稳定的空间电荷形成的势垒可能有整流作用。由此产生的势垒模型就是所谓肖特基势垒。金属—半导体形成的结称为肖特基结。 金属—半导体接触也可能是非整流性的, 即不管所加电压极性如何，接触电阻均可忽略，这种金属—半导体接触称为欧姆接触。为实现电子系统中的相互连接，所有半导体器件和集成电路都必须有欧姆接触。 1、能带关系 金属和半导体接触时，由于金属的功函数一般和半导体的功函数不同，而存在接触电势差，结果在接触界面附近形成势垒，通常称为肖特基势垒。 功函数是费米能级和真空能级的能量差（即对于金属为qфm，对于半导体为qфs）。 半导体导带底和真空能级能量差称为电子亲和能q?。 金属半导体的接触势垒是指电子从金属进入半导体必须克服的势垒的高度。 当金属与半导体形成紧密接触时，在热平衡下两种材料的费米能级必须相等。此外，真空能级必须是连续的。 对于这种理想的情况，势垒高度qфBn就是金属功函数和半导体电子亲和能之差， 同样，对于理想的金属与P型半导体的接触，其势垒高度可用类似步骤确定： 对给定的半导体，任何金属在n型衬底和p型衬底上的势垒高度之和总等于 n型半导体的自建电势为 又有： 其中qVn为半导体的导带底和费米能级之差 金属与n型半导体接触，金属一侧有负表面电荷，半导体一侧存在等量的但极性相反的正空间电荷。这种电荷分布和具有同样电场分布的P+-N结完全相同，由此得到半导体表面耗尽层宽度为： 金属相对n型半导体加正电压（正向偏置）时，上式中外加电压V取正值；金属相对n型半导体加负电压即反向偏置时，外加电压V取负值。 半导体内单位面积的空间电荷QSC（C/cm2）和单位面积耗尽层电容C（F/cm2）可表示为： 2、界面态对势垒高度的影响 n型Si和n型GaAs的势垒高度测量值显示，qΦBn随qΦm的增大而增大，但不是直线，这是因为在实际的金属半导体接触中，由于晶格不连续，在接触界面处产生大量的能量状态，这些能量状态叫做界面态或表面态，它们连续分布在禁带内，可能起施主或受主作用，影响势垒高度的实际值，对Si和GaAs，n型势垒高度被低估，p型势垒高度被高估。 为了描述半导体表面态，引入中性能级qΦ0：当qΦ0以下的表面态全部被电子占据，而以上的全部空出时，半导体表面是中性的。低于qΦ0的界面态没有电子占据时带正电，作用相当于施主，高于qΦ0的界面态被电子占据时带负电，作用相当于受主。如果qΦ0与半导体的EF重合，则界面态和半导体内部没有电子交换，界面的净电荷为0。如果qΦ0EF，则电子从表面向体内转移，界面净电荷为正，qΦ0EF，电子从体内向表面转移，界面净电荷为负。 当界面态的密度 DS→0时， 与理想情况一致。 当DS→∞时， φBn与金属的功函数无关。 3、肖特基效应 镜像力使肖特基势垒高度降低。 半导体中距离金属表面x处的电子会在金属上感应一个正电荷，这个正电荷称为镜像电荷，电子与这个正电荷之间的引力等于电子与位于－x处等量正电荷之间的静电引力，称为镜像力。 由库仑定律，镜像力为： 距离金属表面x处的电子的势能等于把无