半导体器件物理(第七章) 施敏 第二版

热电子发射过程的电流输运
肖特基势垒电流电压特性
在热电子发射情况下，金属半导 体接触的电流电压表示为
qV J J S exp 1 kT JS q Bn A * T exp kT
2
A*称为有 效理查逊 常数
少数载流子电流密度
7.2.1 器件结构
MESFET具有三个金属半导体接触，
一个肖特基接触作为栅极以及两个当作源 极与漏极的欧姆接触，主要器件参数包含 栅极长度L，栅极宽度Z以及外延层厚度a， 大部分MESFET是用n型Ⅲ-Ⅴ族化合物半 导体制成。
7.2.2 工作原理
不同偏压下， MESFET耗尽 区宽度变化 与输出特性

沟道电阻
R
L A
L
L q n N D A
q n N D Z (a W )
饱和电压
2 S 在此漏极电压时，漏极和源极被夹断， 此时漏极电流称为饱和电流IDsat 。
V Dsat qN D a 2 S
2
V Dsat
qN D a
2
V bi , V G 0
V bi V G
RC
J 1 V v0
低掺杂浓度 的金半 高掺杂浓 度的金半
RC
k qA T
*
exp(
q Bn kT

)
RC
C ~ exp 2 Bn N D
4 exp
m n S Bn ND
7.2 金半场效应晶体管
7.1 金属-半导体接触
7.1.1 基本特性
金属与n型，理想情况，势垒高度为金属 功函数与电子亲和力之差：
金属与p型，势垒高度为：
q Bn q m qx
q Bp E g q m qx
金属和n半导体接触能带图(Wn>Ws)
（a）接触前 （b）间隙很大 （c）紧密接触 （d）忽略间隙
JP qV J P 0 exp( ) 1 kT qD p n i LP N D
2
J P0
通常，少数载流子电流比多数载 流子电流少数个数量级。
7.1.3 欧姆接触


当一金属半导体的接触电阻相对于半导 体主体或串联电阻可以忽略不计，就叫 做欧姆电阻 欧姆电阻的一个指标为特定接触电阻
相 关 公 式
VP
q
S

d
0
N D ( x ) xdx EC q VP
qN D d 1 2 S
2
V T Bn
增强型MODFET 的能带图
7.3.2 电流-电压特性
MODFET的电流-电压特性可利用类似 MOSFET的渐变沟道近似法来求得。
线性区
I
Z L
n C i V G V T V D
作业：
P243 1、7、9 比较MOSFET和MESFET两种器件？ 比较PN结二极管和肖特基势垒二极管两种器件？
饱和区 V Dsat V G V T
I 2 L d 1 d 0 d Z n S
V G
VT

2
对高速工作状态而言，载流子速度 达到饱和，此时饱和区电流、跨导 和截止频率：
I sat Zv s qn s Zv s C i (V G V T )
g m Zv s C i fT gm 2 C 总电容 vs CP 2 L ZC i

S
W
2 (V bi V ) q S N 2 q S
D
D

1 2 d (1 / C ) / dV
7.1.2 肖特基势垒
肖特基势垒指一具有大的势垒 高度（也就是， Bn 或 Bp kT ） 以及掺杂浓度比导带或价带上态密 度低的金属半导体接触，其电流主 要由多数载流子完成。
第7章 MESFET及相关器件



7.1 金属-半导体接触 7.2 金半场效应晶体管（MESFET） 7.3 调制掺杂效应晶体管
本章主题





整流性金半接触及电流电压特性 欧姆性金半接触及特定接触电阻 MESFET及其高频表现 MODFET及二维电子气 MOSFET、MESFET、MODFET比较
fT gm 2 C G Zv s s / W 2 ZL s / W vs 2 L
要增加截止频率必须缩小栅极长度和使 用高速度的半导体。
不同种类半导体中，电子漂移速度与电场关系图
7.3 调制掺杂场效应晶体管
传统MODFET结构
7.3.1 MODFET的基本原理
MODFET为异质结构的场效应器件
加入VG使得栅极接触被反偏，当VG 增大至一特定值时，耗尽区将触到 半绝缘衬底，此时VD为饱和电压。
7.2.3 电流电压特性
电流电压方程式
V 2 V V V D D G bi I IP VP VP 3 IP Z nq N D a
2 2 3

gm

IP 2V P
2
V G V bi
饱和区
I Dsat 1 V V 2 V G V bi G bi IP V VP 3 3 P
3/2

V Dsat V P V G V bi gm Z n qN D a 1 L V G V bi VP
3/2
2 V G V bi V 3 P

3/2

2 S L
,V P
qN D a 2 S
2
线性区
V G V bi IP 1 V VP P I D VG
VD
ID

1/ 2
V D VP VD
击穿区
击穿电压：
VB=VD+|VG|
MESFET增强型模式
阈值电压：V
T
V bi V P Z n S 2 aL
I Dsat
V G
VT

2
跨导：
gm
Z n S aL
V G
VT

两 种 模 式 特 性 比 较
7.2.4 高频性能
截止频率：MESFET无法再将输入信号 放大的频率。
D
S S
W
x Em
qNHale Waihona Puke Baidu
D
S
x
qN D W
相关公式2
Em W qND W Vbi V 2 2 S 2 S bi V V W qND QSC qND W 2q S ND ( Vbi V )
2
相关公式3
C 1 C N
2
Q SC V
对已知半导体与任一金属而言， 在n型和p型衬底上势垒高度和恰好 为半导体的禁带宽度公式如下
q ( Bn Bp ) E g
内建电势：
V bi Bn V n
电荷、电场分布
S
qND
0 W X
与单边突变结p+-n结类似
E W 0 -Em X
相关公式1
E ( x) Em qN