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1、单极型半导体器件单极型半导体器件现在学习的是第1页，共19页黄君凯 教授 （） （） （IGFET：MISFET，MOSFET）：表面场效应晶体管。）：表面场效应晶体管。基本结构基本结构（）。）。（）。）。现在学习的是第2页，共19页黄君凯 教授3.1 金属金属 半导体接触半导体接触3.1.1 金属金属 半导体结构半导体结构一、一、 热平衡时的能带结构热平衡时的能带结构1. 几个物理量几个物理量 ： 半导体内部电子处于势阱中运动，电子从其中逸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。出体外刚好处于静止时的能量。 ： 一个起始能量等于一个起始能量等于 的电子逸出材料
2、体内进入真的电子逸出材料体内进入真 空中所需的最小能量，空中所需的最小能量， 是以电势表示的功函数。是以电势表示的功函数。 其中其中 为：为： （3- 1）0EWqFEMW0MFMMWEEq现在学习的是第3页，共19页黄君凯 教授为：为： （3- 2）因此，因此， 与掺杂情况有关。与掺杂情况有关。： 半导体导带底电子逸出到真空中所需的最小能量。半导体导带底电子逸出到真空中所需的最小能量。 （3- 3）式中式中 称为称为，与掺杂无关，仅由材料决定。，与掺杂无关，仅由材料决定。SW0SFSSWEEqSWq0CqEE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
3、情况）p n（ 和 都一定，没有净电流 ）E内nxW热平衡下的能带结构现在学习的是第4页，共19页黄君凯 教授能带结构（能带结构（Al - n-Si） MnSiWW现在学习的是第5页，共19页黄君凯 教授n-Si Al电子能量电子能量FMFSEE能带弯曲，形成势垒。：（高度）0DMSqVWWDqV()()BDCFSMqqVEEq体内Bq（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。E内现在学习的是第6页，共19页黄君凯 教授 势垒势垒（）：对多子其阻挡作用（电阻高）：对多子其阻挡作用（电阻高）（）：对多子起）：对多子起“反反”阻挡作用（电阻低阻挡作用（
4、电阻低) 由式由式（2- 32）得出，肖特基势垒宽度得出，肖特基势垒宽度 为：为： （3- 6）画出金属（功函数画出金属（功函数 ）- 半导体（功函数半导体（功函数 ）结）结 （包括（包括 n、p 型）四种平衡状态的能带图。型）四种平衡状态的能带图。1/ 22()SDDVWqNMWSWW现在学习的是第7页，共19页黄君凯 教授现在学习的是第8页，共19页黄君凯 教授二、二、 非平衡时的能带结构非平衡时的能带结构 判断判断 MS 结正反偏置依据结正反偏置依据 分析分析 和和 方向是否方向是否能带结构能带结构平衡平衡非平衡非平衡E内E外相反：正向偏置相同：反向偏置FVRV ()DDqVq VV B
5、BqqFMFSEEAl-Si n电子能量电子能量势垒FMFSEE电阻高电阻低动力：外加电源提供净电流流动现在学习的是第9页，共19页黄君凯 教授现在学习的是第10页，共19页黄君凯 教授2. 电容效应电容效应类似于类似于 结，外偏压下半导体耗尽层宽度结，外偏压下半导体耗尽层宽度 W 将改将改变，空间电荷也将改变，故存在势垒电容。由式变，空间电荷也将改变，故存在势垒电容。由式（2- 36）（2- 37）易证明，易证明， MS 结结 可写成：可写成： （3 -7） 这里：这里： （3 -8）因此，通过实验测量的因此，通过实验测量的 曲线，依据式曲线，依据式（2- 39） （2- 40）便可求出半导
6、体势垒高度便可求出半导体势垒高度 及其体内的杂质浓及其体内的杂质浓度分布。度分布。p nTC122()()SDSTDqNCVVW V122()()2SDDVVW VN21TVCDV现在学习的是第11页，共19页黄君凯 教授金属金属 a，b分别与等面积的两种分别与等面积的两种 （且迁移率（且迁移率 相同）相同）A 和和 B 形成肖特基整流接触，这两个形成肖特基整流接触，这两个 MS 结结 的实验曲线如下图，判断哪种半导体硅的电阻率较的实验曲线如下图，判断哪种半导体硅的电阻率较 大？哪种金属的功函数较高？大？哪种金属的功函数较高？对对 MS 结，因结，因 成立，对右图有成立，对右图有:故故 ，又电
7、阻率，又电阻率 故故 。Sin 212() /TGSBddVCqN22III11() /() /TTGGddVddVCC曲线 曲线 ()()D BD ANN1qNSi()Si()AB现在学习的是第12页，共19页黄君凯 教授由于两个由于两个 MS 结都形成整流接触，由能带图易知有：结都形成整流接触，由能带图易知有：式中：式中： （室温下（室温下 ）由于：由于： ，故，故因此：因此： ()MMSiDCFSWqqqVEE体内()lnCCFSDNEEkTN体内0DnN()()D BD ANN()()()()CFS BCFSAEEEE体内体内( )()MbMaWW现在学习的是第13页，共19页黄君凯
8、教授3.1.2 伏安特性及肖特基二极管伏安特性及肖特基二极管1. 定性分析定性分析（1）正偏）正偏 势垒高度势垒高度 随随 改变改变 多子电流多子电流(正向电流正向电流) 随随 增加而增大增加而增大 不随不随 改变，且改变，且 反向电流极小反向电流极小（2）反偏）反偏下下 势垒高度势垒高度 升高升高 多子电流很小多子电流很小 不随不随 改变，且改变，且 反向电流极小反向电流极小 （ 本身很高）本身很高）一、 整流接触情况下的伏安特性FV()DFq VVFVBqFV()BDFqq VVFVRV()DRq VVBqRV()DRBq VVqBq现在学习的是第14页，共19页黄君凯 教授 2. MS结
9、整流方程结整流方程 理论结果如下：理论结果如下：式中式中 为为，其表达式与计算时采用的模型有关，其表达式与计算时采用的模型有关。二、肖特基二级管二、肖特基二级管肖特基二级管肖特基二级管利用金属利用金属 - 半导体整流接触特性制成的二极管称半导体整流接触特性制成的二极管称。肖特基二极管方程肖特基二极管方程经验结果如下：经验结果如下： （3- 9） exp()1SqVJJkTSJexp()1SqVJJnkT现在学习的是第15页，共19页黄君凯 教授其中，反向饱和电流其中，反向饱和电流 与电压无关，与电压无关， ，称为称为。对。对 Si而言，导通电压而言，导通电压 通常仅有通常仅有 0.3 V 左右
10、。左右。肖特基二极管正向电流由半导体多子进入金属形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，成，因而不发生积累，便直接成为漂移电流流走， 故比故比 pn 结二极管具有更好的高频特性。结二极管具有更好的高频特性。SJ1.02 1.15n 0V现在学习的是第16页，共19页黄君凯 教授3.1.3 非整流接触：隧道欧姆接触非整流接触：隧道欧姆接触非整流接触（欧姆接触）特点非整流接触（欧姆接触）特点接触电阻很小，具有线性和对称的伏安特性。接触电阻很小，具有线性和对称的伏安特性。隧道欧姆接触隧道欧姆接触半导体重掺杂下的半导体重掺杂下的 M-S 接触称为接触称
11、为。因这时半导体势垒宽度很小，易发生隧道效应，隧道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。性和对称的伏安关系，故接触电阻很小。现在学习的是第17页，共19页黄君凯 教授现在学习的是第18页，共19页黄君凯 教授MS 结结：接触本身产生明显阻抗，具有阻挡特性。：接触本身产生明显阻抗，具有阻挡特性。 例如当例如当 ， 时形时形 成的肖特基势垒。成的肖特基势垒。（欧姆接触）：接触本身不产生明显阻抗，（欧姆接触）：接触本身不产生明显阻抗， 具有非阻挡（欧姆）特性。具有非阻挡（欧姆）特性。 （1）：接触区中的半导体重掺杂，直至简倂。：接触区中的半导体重掺杂，直至简倂。 （2）：在接触区中形成多子积累的反阻挡层：在接触区中形成多子积累的反阻挡层 （肖特基势垒）。例如当（肖特基势垒）。例如当 时形成的肖特基势阱。时形成的肖特基势阱。由于表面态原因，这种接触在工艺上无法做到。由于表面态原因，这种接触在工艺上无法做到。(Si)MSpWW(Si)MS nWW(Si),MSpWW(Si)MS nWW现在学习的是第19页，共19页