半导体器件物理ppt

（+）
（+）
qVR qVR q(Vbi VR ) q(Vbi VR )
qVR
（-）
势垒提高了VR
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(c) 反向偏压 (c) 反向偏压
图 6. 4 不同偏压情况下，金属与 n 型及 p 型半导体接触的能带图
现代半导体器件物理
MESFET及相关器件 7
金属-半导体接触
金-半接触的电荷与电场分布
N exp qBn exp qVF 1 J 1 exp qV 1 J C c s kT kT kT 系数C1NC = A*T2．A*的值视有效质量而定，对n型与p型硅而言，其值分别 为110和32，而对n型与p型砷化镓而言，其值分别为8和74。 10 qV J J s exp 1 kT
100
J F /(A cm 2 )
解： 由图可得Js=6.5×10-5A/cm2 ， 因此势垒高度可由 q Bn 2 得到： J s A T exp
qND
Em
s
x
(b)
最大电场Em发生在界面处
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图 6. 5 金属－半导体接触中的 qNDW Em (a) 电荷分布、(b) 电场分布
s
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MESFET及相关器件 8
金属-半导体接触
降落在空间电荷区的电压为图中 电场曲线下的面积
EmW qNDW Vbi V 2 2 s
独立n型半导体能带图
q
金属的功函数
q m
qs
半导体的功函数
EC EF EV
半导体 q (m )
半导体
金属
欧姆接触
(a) 平面工艺所制作的金半接触的透视图 金-半接触可分为两种形式：整流性与非整流的欧姆性。
(a ) 热平衡情形下，一独立金属靠近一独立 n 型半导体的能带图
金属
V
qm
J po qDp ni Lp N D
2
在正常工作情况下，少数载流子电流大小比多数载流子 电流少了几个数量级。因此，肖特基二极管被视为单极性器 件，亦即主要由一种载流子来主导导通的过程。
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金属-半导体接触
例2：对ND=1016cm-3的钨-硅肖特基二极管而言，请由下图求出势垒高度与 耗尽区宽度。假设硅中少数载流子的寿命为10-6s，比较饱和电流Js与 Jpo。
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101
102 W - Si 103
104 Js 105
W - GaAs
106 107
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0
0.1
VF / V MESFET及相关器件 15
0.2
0.3
金属-半导体接触
肖特基二极管被视为单极性器件的原因
金属与n型半导体接触也存有少数载流子(空穴)电流，它是由金 属中的空穴注入半导体所产生。空穴的注入与p+-n结的情况相 同。其电流密度为 qV J p J po exp 1 kT
EF
qm
qBn q (m )
金属与p型半导体势垒高度
qBp Eg (qm qx)
则
EV (b) 热平衡时金属－半导体接触的能带图
q(Bn Bp ) Eg
图 6. 2
在n型和p型衬底上的势垒高度和，恰等于半导体的禁带宽度
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MESFET及相关器件 5
MESFET及相关器件 2
源极
栅极 漏极
MESFET
d
Z
SiO 2 n

rj

MESFET与MOSFET
L n
相似之处： 具有相似的电流-电压特性。
x( E x )
p z y( E y )
衬底
不同之处： 栅电极部分 ， MESFET利用 金属-半导体的整流接触取代 了MOSFET的MOS结构； a 源极与漏极部分 ，MESFET 以欧姆接触取代MOSFET中 的p-n结。
qs EC EF
qVn
EV (b) 热平衡时金属－半导体接触的能带图
图 6. 2
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MESFET及相关器件 6
金属-半导体接触
n 型半导体 n 型半导体
p 型半导体 p 型半导体
偏压为零
q q Bn Bn
EEC C
qV qVbi bi E EC C E EF F E EV V (a ) 热平衡 (a ) 热平衡 q q BnBn E EFFE EVV
q Bn VF q C1 N c exp C1 N c exp Bn kT kT q qV C1 N c exp Bn exp F 1 kT kT
s m m s
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q
半导体
qVbi q (m s ) qs
MESFET及相关器件 4
qBn q (m 现代半导体器件物理 )
真空能级
金属-半导体接触
能带情况
金-半接触并处于热平衡时，两者 费米能级相同，真空能级必须连续 理想状况下， 金属与n型半导体的势垒高度
欧姆接触
q m q qs
2
s
qN D
0 W x
耗尽区宽度W可表示为 2 s (Vbi V ) W qN D
半导体内的空间电荷密度QSC
QSC qNDW 2q s N D (Vbi V )
2
(a )
E
W x
Em
(b)
其中对正向偏压，V为+VF；对反向偏压，V为-VR。
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14
12
W - Si
10
8
6
因为截距为0.42V，因此势垒高度为
W - GaAs
4
截距
2
Bn 0.42V 0.24V 0.66V
天津工业大学 现代半导体器件物理 图 6. 6
0
1
0
1
2
3
4
V /V
钨－硅与钨－砷化镓二极管的 1 / C 与外加电压V的关系图 MESFET及相关器件 11
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4
截距
2
0
1
0
1
2
3
4
V /V
MESFET及相关器件 10
金属-半导体接触
例1：求出如图所示钨-硅二极管的施主浓度与势垒高度。
解： 由图得
2 1 ND 2.7 1015 cm 3 1.6 1019 (11.9 8.85 1014 ) 4.4 1015
2 2 d(1 / C 2 ) 6.2 1015 (cm 2 / F ) 2 1.8 1015 (cm 2 / F ) 2 15 (cm / F ) 4.4 10 dV 1V 0V V
EC EF kT N C Vn ln N q q D 2.861019 0.0259ln 2.7 1015 0.24V
qV qVbibi
q(Vbi VF ) q(Vbi VF )
正向偏压
（+）
势垒降低了VF
qVF
qVF
（-） （-）
(b) 正向偏压 (b) 正向偏压
qVF qVF q(Vbi VF ) q(Vbi VF )
（+）
（-）
反向偏压
q(Vbi VR ) q(Vbi VR ) qVR
14
对于均匀掺杂情况，即ND 为定值，则1/C2 对V作图可得一直线，且 1/C2=0的截距即为内建电势Vbi 一旦Vbi已知，则势垒高度由下式求得
12
Vbi Bn Vn
W - Si
10
将l/C2对V作微分，重新整理可得 杂质的分布
8
6
W - GaAs
2 1 ND q S d(1 / C 2 ) / dV
金属-半导体接触
热平衡时 电流密度由两个大小相等、但方向相反的载流子流组成，因此 净电流为零。半导体中的电子倾向于流入金属中，并有一反向 的平衡电子流由金属进入半导体中，其大小与边界的电子浓度 成正比。 q nth＝Nc exp－ Bn J ms J sm nth
J m s J s m
(a) 平面工艺所制作的金半接触的透视图 E C q (m ) EF 金属
EV
半导体
金属 V
半导体
(a ) 热平衡情形下，一独立金属靠近一独立 n 型半导体的能带图
(b) 金半接触的一维结构
q
图 6. 1
qVbi q (m s ) qs EC EF
qBn qm qx
图 6. 5 金属－半导体接触中的 (a) 电荷分布、(b) 电场分布
(C / cm )
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金属-半导体接触
每单位面积的耗尽区电容C则可由上式计算得到：
C QSC q S N D S V 2(Vbi V ) W
即
2(Vbi V ) 1 q s N D C2
2
金属-半导体接触
肖特基势垒 指一具有大的势垒高度(即Bn或Bp>>kT)，以及掺杂浓度比导 带或价带的态密度低的金属-半导体接触。
电流的传导机制 与p-n结不同，主要传导机制是半导体中多数载流子的热电子 发射越过电势势垒而进入金属中。
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MESFET及相关器件 12
s
qN D
0 W x
假设金属为完美导体，由半导体迁 移过来的电荷将存在于其表面极狭 窄的区域内。 电荷分布与单边突变的p+-n结的情 况相同。 在x<w处，ρs= qND 在x>w处，ρs= 0 电场大小随着距离增加而线性变小
E x qN D (W x)
(a )
E
W x
s
Байду номын сангаасEm
正向偏压时 跨越势垒的静电势差降低，因此表面的电子浓度增加 q Bn VF nth N c exp kT 由电子流出半导体所产生的电流Js→m也因此以同样的因数增大 因势垒Bn维持与平衡时相同，由金属流向半导体的电子流量维持不变 正向偏压下的净电流为 ： J J J
Lgs
L Z
Lgd 源极 栅极 漏极
n型 半导体绝缘 衬底 L
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(a ) MESFET 的透视图 MESFET及相关器件 3
金属-半导体接触
基本特性
功函数定义为费米能级和真空能级之差。 绝缘体 电子亲和力qχ，它是半导体导带端与真空能级的能量差。
金属
独立金属能带图
真空能级
J m
s
kT q C1 N c exp Bn kT
s
J s
m
J m
J
s
m
J m
s
J s
m
EF
EC
EF
EC EV
EF EC
EV
(a 天津工业大学 ) 热平衡
(b) 正向偏压 现代半导体器件物理
EV (c) 反向偏压 MESFET及相关器件 13
金属-半导体接触
现代半导体 器件物理
Physics of Modern Semiconductor Devices
MESFET及相关器件
2004,7,30
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MESFET及相关器件 1
本章内容

金属-半导体接触 金半场效应晶体管 调制掺杂场效应晶体管
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反向偏压的净电流的表示 式与上式相同，只是其中的 E VF被替换成-VR
J m
s
J s
m
J m
s
J
s
m
J m
s
J s
m
F
EC
EF
EC EV
EF EC
EV
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现代半导体器件物理 (a ) 热平衡
(b) 正向偏压
E MESFET及相关器件 14V (c) 反向偏压
q Bn VF q Bn C1 N C1 N c exp kT 金属-半导体接触 c exp kT
0
J F /(A cm 2 )
q Bn J s AT 2 exp kT
其中Js为饱和电流密度，而外加电压V 在正向偏压的情况下为正，反向偏压 时则为负。 由肖持基二极管实验所得的I-V特性。 将正向I-V曲线延伸至V=0，可以获得 Js，由上式即可求得势垒高度。
金属-半导体接触
金属
q (m )
半导体
EC EF EV
(a ) 热平衡情形下，一独立金属靠近一独立 n 型半导体的能带图
Vbi 为电子由半导体导 带上欲进入金属时遇到 的内建电势
qm EF
q
qVbi q (m s )
Vbi Bn Vn
qBn q (m )