第三章 单极型半导体器件(精品).ppt

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1、黄君凯 教授第三章第三章 单极型半导体器件单极型半导体器件晶体管晶体管双极型晶体管双极型晶体管双极型晶体管双极型晶体管（结型晶体管结型晶体管结型晶体管结型晶体管）：）：有两种载流子（电子、空穴）参与工作。有两种载流子（电子、空穴）参与工作。单极型晶体管单极型晶体管单极型晶体管单极型晶体管（场效应晶体管场效应晶体管场效应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。只有一种极性载流子参加工作，而且是多子。单极型晶体管单极型晶体管结型场效应晶体管结型场效应晶体管结型场效应晶体管结型场效应晶体管（JFET）：体内场效应晶体管。）：体内场效应晶体管。金属金属金属金属 -半导体场效应

2、晶体管半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管（肖特基场效应晶体管肖特基场效应晶体管肖特基场效应晶体管肖特基场效应晶体管）（MESFET）：体内场效应晶体管。）：体内场效应晶体管。黄君凯 教授绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管（金属金属金属金属-绝缘体绝缘体绝缘体绝缘体-半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管）（金属金属金属金属-氧化物氧化物氧化物氧化物-半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管）（IGFET：MISFET，MOSFET）：表面场效应晶体管。）：表面场效应晶体管

3、。基本结构基本结构金属金属金属金属 -半导体结构半导体结构半导体结构半导体结构（M-S M-S 结构结构结构结构）。）。金属金属金属金属 氧化物氧化物氧化物氧化物 半导体结构半导体结构半导体结构半导体结构（MOS MOS 结构结构结构结构）。）。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 电子的真空能级电子的真空能级电子的真空能级电子的真空能级 ：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

4、时的能量。功函数功函数功函数功函数 ：一个起始能量等于一个起始能量等于 的电子逸出材料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 金属功函数金属功函数金属功函数金属功函数 为：为：（3-1）黄君凯 教授半导体功函数半导体功函数半导体功函数半导体功函数 为：为：（3-2）因此，因此，与掺杂情况有关。与掺杂情况有关。电子亲和能电子亲和能电子亲和能电子亲和能 ：半导体导带底电子逸出到真空中所需的最小能量。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 称为称为电子亲和势电子亲和势电子亲和势电子亲和势

5、，与掺杂无关，仅由材料决定。，与掺杂无关，仅由材料决定。空间电荷区空间电荷区空间电荷区空间电荷区扩散运动扩散运动空间电荷区空间电荷区内建电场内建电场漂移运动漂移运动热平衡热平衡 M-S 结结（仅由半导体表面层杂质提供，如（仅由半导体表面层杂质提供，如 情况）情况）（和和 都一定，没有净电流都一定，没有净电流 ）2.热平衡下的能带结构热平衡下的能带结构黄君凯 教授能带结构（能带结构（Al-n-Si）黄君凯 教授能带弯曲，形成势垒。能带弯曲，形成势垒。半导体势垒半导体势垒半导体势垒半导体势垒 ：金属势垒金属势垒金属势垒金属势垒 （肖特基势垒肖特基势垒肖特基势垒肖特基势垒高度）高度）（3-4）（3-

6、5）注意注意 能带弯曲判断方法：能带弯曲判断方法：越大处电势越高，但该处电子能量越低。越大处电势越高，但该处电子能量越低。黄君凯 教授 势垒势垒阻挡层阻挡层阻挡层阻挡层（肖特基势垒肖特基势垒肖特基势垒肖特基势垒）：对多子其阻挡作用（电阻高）：对多子其阻挡作用（电阻高）反阻挡层反阻挡层反阻挡层反阻挡层（肖特基势阱肖特基势阱肖特基势阱肖特基势阱）：对多子起）：对多子起“反反”阻挡作用（电阻低阻挡作用（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）例题例题例题例题 7 7 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（

7、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。黄君凯 教授 分析分析分析分析 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1.能带结构能带结构平衡平衡非平衡非平衡相反：正向偏置相反：正向偏置相同：反向偏置相同：反向偏置势势垒垒电阻高电阻高电阻低电阻低动力动力：外加电源提供：外加电源提供净电流流动净电流流动黄君凯 教授黄君凯 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

8、也将改变，故存在势垒电容。由式（2-36）（2-37）易证明，易证明，MS 结结单位面积势垒电容单位面积势垒电容单位面积势垒电容单位面积势垒电容 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。黄君凯 教授 例题例题例题例题8 8 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

9、，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？解解解解 对对 MS 结，因结，因 成立，对右图有成立，对右图有:故故 ，又电阻率，又电阻率 故故 。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：黄君凯 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

10、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、一、整流接触情况下的伏安特性整流接触情况下的伏安特性黄君凯 教授 2.MS结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 为为饱和电流饱和电流饱和电流饱和电流，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肖肖肖特基二极

11、管特基二极管特基二极管特基二极管。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）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，称为称为二极管发射系数二极管发射系数二极管发射系数二极管发射系数。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。左右。注意注意注意注意 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。黄君凯

12、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 接触称为接触称为隧道欧姆接触隧道欧姆接触隧道欧姆接触隧道欧姆接触。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。黄君凯 教授黄君

13、凯 教授MS 结结整流接触整流接触整流接触整流接触：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。非整流接触非整流接触非整流接触非整流接触（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）隧道欧姆接触隧道欧姆接触隧道欧姆接触隧道欧姆接触：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）肖特基欧姆接触肖特基欧姆接触肖特基欧姆接触肖特基欧姆接触：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。注意注意注意注意 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。