半导体器件物理课件——第四章课件
【精品】半导体物理(SEMICONDUCTOR PHYSICS )PPT课件
如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗电阻为几十 MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ
• 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变
• 本课程的内容安排
以元素半导体硅(Si)和锗(Ge)为对象： • 介绍了半导体的晶体结构和缺陷，定义了晶向和晶面 • 讨论了半导体中的电子状态与能带结构，介绍了杂质半导体及其 杂质能级 • 在对半导体中载流子统计的基础上分析了影响因素，讨论了非平 衡载流子的产生与复合 • 对半导体中载流子的漂移运动和半导体的导电性进行了讨论，介 绍了载流子的扩散运动，建立了连续性方程 • 简要介绍了半导体表面的相关知识
• 化学比偏离还可能形成所谓反结构缺陷，如GaAs晶体中As 的成份偏多，不仅形成Ga空位，而且As原子还可占据Ga空 位，称为反结构缺陷。
• 此外高能粒子轰击半导体时，也会使原子脱离正常格点位 置，形成间隙原子、空位以及空位聚积成的空位团等。
• 位错是晶体中的另一种缺陷，它是一种线缺陷。
• 半导体单晶制备和器件生产的许多步骤都在高温下进行，因而在 晶体中会产生一定应力。
共价键方向是四面体对称的，即共价键是从正四面体中心原子出 发指向它的四个顶角原子，共价键之间的夹角为109°28´，这种正四面 体称为共价四面体。
图中原子间的二条连线表示共有一对价电子，二条
线的方向表示共价键方向。
共价四面体中如果把原子粗
略看成圆球并且最近邻的原
子彼此相切，圆球半径就称 为共价四面体半径。
图1.6 两种不同的晶列
• 晶列的取向称为晶向。 • 为表示晶向，从一个格点O沿某个晶向到另一格点P作位移 矢量R，如图1.7，则
R=l1a+l2b+l3c • 若l1:l2:l3不是互质的，通过
第半导体物理课件 第四章
用，对电子产生散射作用。
• 横声学波要引起一定的切变，对具有多极值、旋转椭球等 能面的锗、硅来说，也将引起能带极值的变化。
光学波散射
• 离子性半导体中，长纵光学波有重要的散射作用。 • 每个原胞内正负离子振动位移相反，正负离子形成硫密 相间的区域，造成在一半个波长区域内带正电，另一半 个波长区域内带负电，将产生微区电场，引起载流子散 射。 长声学波振动，声子的速度很小，散射前后电子能量基本不 变，－－弹性散射 光学波频率较高，声子能量较大，散射前后电子能 量有较大的改变，－－非弹性散射。
迁移率和杂质与温度关系
杂质浓度较低，迁移率随温度升高迅速减小，晶格散射起主要作用； 杂质浓度高，迁移率下降趋势不显著，说明杂质散射机构的影响为主。当 杂质浓度很高时，低温范围内，随温度升高，电子迁移率缓慢上升，直到
很高温度(约550K左右)才稍有下降，这说明杂质散射起主要作用。晶格 振动散射与前者比影响不大，所以迁移率随温度升高而增大；温度继续升 高后，又以晶格振动散射为主，故迁移随温度下降。
② 计算中假设散射后的速度完全无规则，即散射后载流子向各个方向运动 的几率相等。这只适用于各向同性的散射．对纵声学波和纵光学波的散射确 实是各向同性的．但是电离杂质的散射则偏向于小角散射。所以精确计算还 应考虑散射的方向性。
下节较精确地计算半导体的电导率，为简单起见，仍限于讨论各向同性的 散射。
5 玻耳兹曼方程· 电导率的统计理论
• 各向同性晶体特点：
a、声学波散射： Ps∝T3/2 b、光学波散射：P o∝[exphv/k0T）]-1
2）电离杂质散射：即库仑散射
散射几率Pi∝NiT-3/2（Ni：为杂质浓度总和）。
3)其它散射机构
北大半导体器件物理课件第四章5MOSFET的小尺寸效应
半导体器件物理
DIBL效应
特点：
• 沟道缩短，电 子势垒下降
• VDS 增加， 电子势垒下降
半导体器件物理
DIBL效应
• 有两种作用导致了势垒的下降：
– 沟道缩短，漏、源耗尽区的相互影响 – VDS增加，漏区发出的场强线的一部分穿透到源区
• DIBL效应对MOSFET特性的影响：
– VDS增加，有效阈值电压下降 – VDS增加导致势垒降低，表面更加耗尽，使沟道更
加吸引电子，沟道导电能力增强，等效于有效阈值 电压的下降。
半导体器件物理
DIBL效应ห้องสมุดไป่ตู้
• 亚阈值特性：
– 亚阈值区导电机构主要是载流子的扩散
I Dsub
=
Z L
μnCOXη
⎛ ⎜
定量计算： 窄沟道效应
• 由于侧向扩展的不规则，定量计算比较复杂。在SPICE程 序中仅认为窄沟道效应是由于沟道宽度方向上的边缘电场 使总的耗尽电荷增加所致。 为便于计算，把
边缘场的影响夸大
成1/4圆柱体。
( ) ΔVT
=
π 2
Xd Z
γ
2φF − VBS
=π εS ε OX
DOX Z
2φF − VBS
左图：低掺杂衬底短沟 nMOST饱和区情形 反偏漏-衬pn结耗尽区的 扩展主要在p型衬底一侧
•有可能出现耗尽区宽度接近于或大于沟道长度 •起始于源区的场强线，就会有一部分终止于沟道
半导体器件物理
源漏穿通效应
• 考虑：栅源电压VGS不变，增大漏源VDS电压
– 漏-衬pn结耗尽区扩展，用于屏蔽增加的电场 – 对于终止于沟道的场强线来说，由于耗尽区已经没
半导体器件物理教案课件
半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体物理基础知识1.1 半导体的基本概念介绍半导体的定义、特点和分类解释n型和p型半导体的概念1.2 能带理论介绍能带的概念和能带结构解释导带和价带的概念讲解半导体的导电机制第二章：半导体材料与制备2.1 半导体材料介绍常见的半导体材料，如硅、锗、砷化镓等解释半导体材料的制备方法，如拉晶、外延等2.2 半导体器件的制备工艺介绍半导体器件的制备工艺，如掺杂、氧化、光刻等解释各种制备工艺的作用和重要性第三章：半导体器件的基本原理3.1 晶体管的基本原理介绍晶体管的结构和工作原理解释n型和p型晶体管的概念讲解晶体管的导电特性3.2 半导体二极管的基本原理介绍半导体二极管的结构和工作原理解释PN结的概念和特性讲解二极管的导电特性第四章：半导体器件的特性与测量4.1 晶体管的特性介绍晶体管的主要参数，如电流放大倍数、截止电流等解释晶体管的转移特性、输出特性和开关特性4.2 半导体二极管的特性介绍半导体二极管的主要参数，如正向压降、反向漏电流等解释二极管的伏安特性、温度特性和频率特性第五章：半导体器件的应用5.1 晶体管的应用介绍晶体管在放大电路、开关电路和模拟电路中的应用解释晶体管在不同应用电路中的作用和性能要求5.2 半导体二极管的应用介绍半导体二极管在整流电路、滤波电路和稳压电路中的应用解释二极管在不同应用电路中的作用和性能要求第六章：场效应晶体管（FET）6.1 FET的基本结构和工作原理介绍FET的结构类型，包括MOSFET、JFET等解释FET的工作原理和导电机制讲解FET的输入阻抗和输出阻抗6.2 FET的特性介绍FET的主要参数，如饱和电流、跨导、漏极电流等解释FET的转移特性、输出特性和开关特性分析FET的静态和动态特性第七章：双极型晶体管（BJT）7.1 BJT的基本结构和工作原理介绍BJT的结构类型，包括NPN型和PNP型解释BJT的工作原理和导电机制讲解BJT的输入阻抗和输出阻抗7.2 BJT的特性介绍BJT的主要参数，如放大倍数、截止电流、饱和电流等解释BJT的转移特性、输出特性和开关特性分析BJT的静态和动态特性第八章：半导体存储器8.1 动态随机存储器（DRAM）介绍DRAM的基本结构和工作原理解释DRAM的存储原理和读写过程分析DRAM的性能特点和应用领域8.2 静态随机存储器（SRAM）介绍SRAM的基本结构和工作原理解释SRAM的存储原理和读写过程分析SRAM的性能特点和应用领域第九章：半导体集成电路9.1 集成电路的基本概念介绍集成电路的定义、分类和特点解释集成电路的制造工艺和封装方式9.2 集成电路的设计与应用介绍集成电路的设计方法和流程分析集成电路在电子设备中的应用和性能要求第十章：半导体器件的测试与故障诊断10.1 半导体器件的测试方法介绍半导体器件测试的基本原理和方法解释半导体器件测试仪器和测试电路10.2 半导体器件的故障诊断介绍半导体器件故障的类型和原因讲解半导体器件故障诊断的方法和步骤第十一章：功率半导体器件11.1 功率二极管和晶闸管介绍功率二极管和晶闸管的结构、原理和特性分析功率二极管和晶闸管在电力电子设备中的应用11.2 功率MOSFET和IGBT介绍功率MOSFET和IGBT的结构、原理和特性分析功率MOSFET和IGBT在电力电子设备中的应用第十二章：光电器件12.1 光电二极管和太阳能电池介绍光电二极管和太阳能电池的结构、原理和特性分析光电二极管和太阳能电池在光电子设备中的应用12.2 光电晶体管和光开关介绍光电晶体管和光开关的结构、原理和特性分析光电晶体管和光开关在光电子设备中的应用第十三章：半导体传感器13.1 温度传感器和压力传感器介绍温度传感器和压力传感器的结构、原理和特性分析温度传感器和压力传感器在电子测量中的应用13.2 光传感器和磁传感器介绍光传感器和磁传感器的结构、原理和特性分析光传感器和磁传感器在电子测量中的应用第十四章：半导体器件的可靠性14.1 半导体器件的可靠性基本概念介绍半导体器件可靠性的定义、指标和分类解释半导体器件可靠性的重要性14.2 半导体器件可靠性的影响因素分析半导体器件可靠性受材料、工艺、封装等因素的影响14.3 提高半导体器件可靠性的方法介绍提高半导体器件可靠性的设计和工艺措施第十五章：半导体器件的发展趋势15.1 纳米晶体管和新型存储器介绍纳米晶体管和新型存储器的研究进展和应用前景15.2 新型半导体材料和器件介绍石墨烯、碳纳米管等新型半导体材料和器件的研究进展和应用前景15.3 半导体器件技术的未来发展趋势分析半导体器件技术的未来发展趋势和挑战重点和难点解析重点：1. 半导体的基本概念、分类和特点。
最新半导体物理与器件-课件-教学PPT-作者-裴素华-第4章-MOS场效应晶体管精品课件
2.表面(biǎomiàn)势与表面(biǎomiàn)耗尽区
下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情况下更 为(ɡènɡ wéi)详细的能带图。
第五页，共74页。
在下面(xià mian)的讨论中，定义与费米能级相对应的费
米势为
F
(Ei
EF )体内 q
因此(yīncǐ)，对于P型半 导体，
MOS 电容(diànróng)等效示意图 第十页，共74页。
在平带条件(tiáojiàn)下对应的总电容称为MOS 结构的平带 电容CFB
C FB
t OX
OX 0
1 2
OX S
LD
右图表示(biǎoshì)了 P型半导体MOS结构 的理想C-U曲线
线
第十一页，共74页。
MOS电容-电压(diànyā)曲
UDS较小时(xiǎoshí)，导电沟道随UGS的变化
a) UGS< UT 没有沟道 b) UGS> UT 出现沟道 c) UGS>>UT 沟道增厚
第二十四页，共74页。
2. 饱和(bǎohé)工作区
此时的电流-电压特性(tèxìng)对应与特性(tèxìng)图中UGS=5V曲线的 AB段。
导电沟道(ɡōu dào)随UDS的变化
ns
ni
exp
q(
s
T
F
ps
ni
exp
q(
F T
s
第七页，共74页。
通过以上讨论，以下各区间的表面电势可以区分为： Ψs<0空穴积累（能带向上弯曲）； Ψs=0平带情况； ΨF>Ψs>0空穴耗尽（能带向下弯曲）； ΨF=Ψs 表面上正好(zhènghǎo)是本征的ns=ps=ni ΨF<Ψs 反型情况（反型层中电子积累，能带向下弯曲）。
第4章.-半导体物理-半导体的导电性PPT课件
电子平均漂移速度为： vxN 10 0 N 0PP eq m t n *d E tq m n *E n
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26
qE
vx mn* n
电子的平均自由时间
vvddnnqnmE E n *n nqm n *n , 同理 pqm p*p
n型电导率:
n
nqn
nq2 mn*
n
p型电导率:
6
在本征情况下， J= Jn+ Jp
电场不太强时，漂移电流遵从欧姆定律 J E
n型半导体，n>>p，Jn>>Jp E nqdvn
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vdn
nq
E
n不随电场变化， 为一常数，
nq
通常用正值μ表示其比例系数，电子的迁移率
v dn n E 意义：单位场强下电子的平均漂移速
vd / E
散射（晶格振动、杂质、晶格畸变）
➢ 载流子在外加电场作用下的漂移运动(包括与其相联系的 材料的主要参数如迁移率、电导率、电阻率等)，并讨论 影响这些参数的因素。
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2
4.1 载流子的漂移运动 迁移率
无外加电场作用时：载流子热运动是无规则的，运动速度各向同 性，不引起宏观迁移，从而不会产生电流。
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3.迁移率与杂质浓度和温度的关系
几种散射机构同时存在时
散射几率为它们的和: P Pi i
总平均自由时间为 :
1
1 i
n
q n
m
* n
p
q p
m
* p
总平均迁移率为 :
1
1
i
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定性分析迁移率随杂质浓度和温度的变化：
第四章半导体材料-PPT课件
h
并非所有半导体都能发光。Si、Ge不发光。由能 带结构决定。间接能带结构的半导体不发光。直接能带 结构的半导体才发光。（发光材料一章介绍） Si、Ge是间接能带结构。Ⅲ-Ⅴ族化合物如GaAs、 InP是直接能带，可以发光，被用作激光器和发光管。
目前，科学家正努力寻找Si发光的方法，如Si纳米 结构、超晶格。若成功，将使微电子器件和光电子器 件集中在一个硅片上，能大大提高效率、降低成本， 称为光电集成。
统称为半导体微结构材料（人工材料）
A B 异质结—两种不同半导体材料组成的结 量子阱—两个同样异质结背对背 ABA B ABA B 超晶格—两种或以上薄层周期性交替 生长。
半导体中自由电子局限于一个平面内运动——二维 电子气 理论上证明：二维运动电子发射光比 体材料三维运动电子发光更集中，更适合 做激光器，还有其他应用。 可以选择不同材料，设计具有不同禁带宽度和光 学性质的量子阱、超晶格制作新型光电器件——称为能 带裁剪工程。 二、超晶格种类 1、组分超晶格 不同半导体材料薄膜堆垛而成。
Si Si Si
Si
Si中掺5价P，P取代Si原子。4个 价电子与Si组成共价键。第5个价电 子多余，输送到导带上成为自由电 子。导带中电子导电。 产生的自由电子浓度约等于杂质 原子浓度（可控）。
导带
Si Si
e
Si
P
Si
导带
P
P
施主
P
P
n型半导体
价带
P
P
施主
P
P
价带
P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。
当T升高，电子激发到 导带，在价带留下空穴。在 电场作用下，导带中电子和 价带中空穴均导电，称为本 征导电。
北大半导体器件物理课件第四章3阈值电压
Idy = −μnZCox ⎡⎣VGs −VT −V ( y)⎤⎦ dV ( y)
• 积分：左边0→L；右边0 → VDS
( ) ID = β ⎡⎣ VGs −VT
VDS
−
V 1 2
2 DS
⎤⎦
萨之唐方程（萨方程）（MOS1模型）
• 定义增益因子
β
≡
μnCOX
Z L
• 电路模拟软件中通常用的参数：跨导参数κ
Z L
μnCox (VGS
−VT )
• 饱和区
– 跨导
gm
=
∂I D ∂VGS
VDS
=
Z L
μnCox (VGS
−VT )
– 沟道电导
gD
=
∂I D ∂VDS
VGS
=0
2.求强反型表面势
• 不考虑场感应结压降时（VBS=0，VDS=0） ϕ sinv = 2 ΦF
• 考虑场感应结上压降（VBS≠0），并且VDS=0 ϕ sinv = 2ΦF−VBS
• 考虑VDS≠0，即考虑沟道电势V(y)，那么场感应结上 的压降是VBS−V(y) ϕ sinv = 2 ΦF−VBS+V(y)
( ) 压：
VT VBS = 0
= VFB
+
2φF
−
QBM Cox
半导体器件物理
VBS≠0时的阈值电压
• 衬偏调制系数 γ
– 定量描述衬偏调制电压对器件阈值电压的改变量
γ ≡ dVT (VBS )
d
⎡⎣( 2φF
− VBS
)1 2
⎤ ⎦
( ) VT (VBS ) = VT (0) + γ 2φF −VBS − 2φF
半导体器件物理(第四章)_Part1_238403818
半导体器件物理进展第四章CMOS的等比例缩小、优化设计及性能因子CMOS Scaling, Design Optimization, and Performance FactorsPart 1 MOSFET模型及小尺寸效应内容提要：MOSFET结构及其偏置条件MOSFET的漏极电流模型MOSFET的亚阈区特性与温度特性 MOSFET的小尺寸效应MOSFET的缩比特征长度MOSFET的速度饱和效应1. MOSFET结构及其偏置条件MOSFET在实际集成电路中的剖面结构如下图所示。
横向：源-沟道-漏;纵向：M-O-S；几何参数L：沟道长度；W：沟道宽度；t ox：栅氧化层厚度；x j：源漏结深；MOSFET的发展简史：早期：主要采用铝栅电极，栅介质采用热氧化二氧化硅，扩散形成源、漏区，其与栅电极之间采用非自对准结构，场区采用厚氧化层隔离；中期：栅极采用N型掺杂的多晶硅栅，源、漏区与栅极之间采用自对准离子注入结构，场区采用硅的局部氧化工艺（LOCOS）实现器件隔离；后期：栅极采用互补双掺杂（N型和P型）的多晶硅栅，源漏区与栅极之间采用LDD（轻掺杂漏）结构和金属硅化物结构，场区采用浅沟槽隔离（STI）技术。
近期：栅极采用难熔金属栅极（例如W、Mo等），栅介质采用高K介质材料（例如氧化铪等），源、漏区与栅极之间采用自对准金属硅化物结构，场区采用浅沟槽隔离或其它介质隔离技术。
一个自对准MOSFET的工艺制造过程以NMOS器件为例，包含四个结构化的光刻掩模：（1）场区光刻掩模：利用氮化硅掩蔽的LOCOS局部氧化工艺，在P型掺杂的硅单晶衬底上定义出器件有源区和场氧化层隔离区；（2）栅极光刻掩模：通过多晶硅的淀积、光刻和刻蚀工艺，定义出器件的多晶硅栅电极；（3）接触孔光刻掩模：通过对源漏有源区及多晶硅栅电极上二氧化硅绝缘层的光刻和刻蚀工艺，定义出相应的欧姆接触窗口；（4）铝引线光刻掩模：通过铝布线金属的溅射、光刻和刻蚀工艺，定义出器件各引出端的铝引线电极；对于包含PMOS器件的CMOS工艺，则还需要增加一步N阱区的掩模及其光刻定义。
半导体器件物理课件四
02 半导体器件的基本概念
半导体的定义和特性
半导体：导电性 能介于导体和绝 缘体之间的材料
半导体的特性： 具有可调节的导 电性，可以通过 掺杂、光照、温 度等外部因素改
变其导电性能
半导体的分类： 分为N型半导体 和P型半导体， N型半导体中的 电子是主要的载 流子，P型半导 体中的空穴是主
要的载流子
军事装备：如雷达、导弹、 电子战等
集成电路的应用
计算机： CPU、内 存、存储 设备等
通信设备： 手机、基 站、路由 器等
家电：电 视、冰箱、 洗衣机等
汽车电子： 发动机控 制、安全 系统、导 航系统等
医疗设备： 心电图仪、 CT扫描仪、 超声波诊 断仪等
航空航天： 卫星、火 箭、飞机 等
太阳能电池的应用
半导体材料的选择和处理
半导体材料的选择：根据器件性能和成本要求选择合适的半导体材料
半导体材料的处理：对半导体材料进行清洗、抛光、腐蚀等处理，以获得所需的半导体 表面
半导体材料的掺杂：通过掺杂工艺将杂质引入半导体材料中，以改变其电学性质
半导体材料的热处理：对半导体材料进行热处理，以改善其电学性质和机械性能
半导体光电器件：如光电二极管、光电三极管等，用于光电转换、光电检测等应用
半导体器件的应用领域
汽车电子：如汽车导航、汽 车音响等
通信设备：如基站、路由器 等
电子设备：如手机、电脑、 电视等
医疗设备：如医疗仪器、医 疗电子设备等 航空航天：如卫星、火箭等
军事领域：如雷达、导弹等
03 半导体器件的基本原理
半导体器件物理课件 四
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汇报人：PPT
《半导体器件物理》课件
目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为，以及它们与外部因 素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器 件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通 信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系 统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、 集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治 疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模 型，它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成 ，它们之间存在一个禁带。当电子从 价带跃迁到导带时，需要吸收或释放 能量，这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在 半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道 和P沟道两种类型，其结 构包括源极、漏极和栅极 。
场效应晶体管在放大、开 关、模拟电路等中应用广 泛，具有功耗低、稳定性 高等优点。
当栅极电压变化时，导电 沟道的开闭状态会相应改 变，从而控制漏极电流的 大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性
半导体器件物理课件4
短沟道 MOSFET 的亚阈摆幅
随沟道长度减小，亚阈值摆幅（subthreshold swing）有增大的趋势。 subthreshold swing 增大，驱动电流 / 漏电流比减小。
Dr. P.-F. Wang Fudan University
Advanced semiconductor devices and physics
2 s Vbi VBS yS qN A
VT
y S y D q s N A VB 0.5VBS
LCox
2 s Vbi VDS VBS yD qN A
Dr. P.-F. Wang Fudan University
VDS
F
VT
Advanced semiconductor devices and physics 2012.10
Fudan University
wS
Source depletion
wC
Drain depletion
wD
Advanced semiconductor devices and physics
2012.10
QB’/QB（电荷分享因子
F ）的计算
VDS=0V
' QB 2 d max L 2 L 1 1 QB d max L L
Dr. P.-F. Wang Fudan University
Advanced semiconductor devices and physics
2012.10
章节
1. MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应
2.小尺寸MOSFET的直流特性 3. MOSFET的按比例缩小规律 4. 实现短沟道MOSFET器件的新技术
北大半导体器件物理课件第四章4亚阈值特性
• Cgs、Cgd 和Cds 属于本征MOSFET部分 • 现在，已经提出了很多MOSFET本征电容模型，其中Meyer
提出的长沟器件模型被许多电路模拟软件广泛采用。下面简
半导体器件物理
Meyer模型
• 在Meyer模型中，栅-沟道之间的分布电 容被分ห้องสมุดไป่ตู้为三个集总电容：
gD
= ∂ID ∂VDS
=
gD'
1+ Rs gm '+(Rs + RD )gD '
半导体器件物理
代入下式：
VG′ S = VGS − I D Rs VD′ S = VDS − I D (Rs + RD )
即得：
gm
=
∂I D ∂VGS
=
gm'
1+ Rs gm '+(Rs + RD )gD '
反型层中载流子迁移率与温度有很大的关系。对于高性
能的器件，电子的表面迁移率可从室温时的 600cm2 /V ⋅ s 到液氦时4.2K的 20000cm2 /V ⋅ s。在室温附近200K~400
K温度范围内 μn与温度的关系可简单表示为
μ
(T
)
=
μ
(T0
T )(
T0
)−m
μ(T )是T温度下的低场迁移率，μ(T0 )是 T0 温度下的低场迁
半导体器件物理
低频小信号等效电路
1. 栅跨导（跨导） 定义：
• 利用萨方程求解栅跨导
– 非饱和区： – 饱和区：
若考虑沟道长度调制效应
• 栅跨导gm标志着共源极工作时输入电压对输出电流的控制 能力。
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1 C2
qk02 NdA2VR0
（4-7）
4.1肖特基势垒
与P-N结情形一样，可以给出 1 C 2 与 V R 的关系曲线以得到直线关系
（图4-3）。从中可以计算出自建电势和半导体的掺杂浓度。
14
12 10
15
1 / C（c m/ F） 1 0
2
8
2
6
2
4
2
0
1 0
1
2
3
4
V R（ V ）
图4-3 钨硅和钨砷化镓的二极管1/C2与外加电压的对应关系
• 金属—半导体结器件是应用于电子学的最古老的固态器件。 • 1874年布朗（Brawn）就提出了金属与硫化铅晶体接触间具有不对称的导电特性。 • 1906年皮卡德（Pickard）获得了硅点接触整流器专利。 • 1907年皮尔斯（Pierce）提出，在各种半导体上溅射金属可以制成整流二极管。 • 二十年代出现了钨－硫化铅点接触整流器和氧化亚铜整硫器。 • 1931年肖特基(Schottky)等人提出M-S接触处可能存在某种“势垒”的想法。 • 1932年威尔逊（Wilson）等用量子理论的隧道效应和势垒的概念解释了M-S接触的整
➢ 与P-N结情形一样，可以由1 C 2 与V R 的关系曲线求出自建电势和半导体的掺杂
情况。
4.1肖特基势垒
教学要求
➢ 了解金属—半导体接触出现两个最重要的效应 ➢ 画出热平衡情况下的肖特基势垒能带图。 ➢ 掌握公式
0 ms
b 0 Vn
W2k0qN0dVR12
1
CkW 0A2q0k0NVdR2 A
（4-1） （4-3） （4-5）
（4-6）
4.1肖特基势垒
教学要求
➢ 掌握公式
接触，使金属—半导体结器件获得迅速的发展和应用。 • 非整流结不论外加电压的极性如何都具有低的欧姆压降而且不呈整流效应。这种接
触几乎对所有半导体器件的研制和生产都是不可缺少的部分，因为所有半导体器件 都需要用欧姆接触与其它器件或电路元件相连接。
4.1肖特基势垒
4.1肖特基势垒
一、肖特基势垒的形成（考虑金属与N-半导体）
（4-4）
4.1肖特基势垒
二、加偏压的肖特基势垒
• 正偏压：在半导体上相对于金属加一负电压 V 。
• 半导体—金属之间的电势差减少为 0 V， 变q成0
• 反偏压：正电压 V R加于半导体上。
• 势垒被提高到 q(0 （VR图) 4-2c）。
q(，0 V)
qb
q 0
qb
q(0 V)
qb
qV
qVR
➢ 肖特基势垒高0度为ms
（4-1）
qbqmxs
（4-2）
或
b 0 Vn
（4-3）
V nE cE FqV TlnN n CV TlnN N C d
（4-4）
4.1肖特基势垒
小结
➢ 画出了加偏压的的肖特基势垒能带图，根据能带图解释了肖特基势垒二极管的整流 特性。
➢ 由于金属中具有大量的电子，偏压情况下金属费米能级不变，因此 q b不变〔q b
4.1肖特基势垒
例题：从图4-3计算硅肖特基二极管的施主浓度、自建电势和势垒高度。 解 利用（4-7）式 ，写成
N d q2 0 k A 2d d V 1 R C 20 q2 0 k A 2 1 V C R 2
在图4-3中电容是按单位面积表示的，因此 A1 。我们求得 VR 1V 时： 1 C 2 6 1 0 1 5 ， V R 2 V 时 ， 1 C 2 1 0 . 6 1 0 1 5 ，因此
1 V C R 2 4 .6 1 1 0 1 52 .1 7 1 0 1 6(V •F 2cm 2)
4.1肖特基势垒
VnV TlnN N d c 0.02 ln 6 2 2..6 8 1 11 10 09 50.24
由于从图4-3有0 0.4V，所以有
b0 V n 0 .4 0 .2 4 0 .64
4.1肖特基势垒
小结
➢ 金属—半导体接触出现两个最重要的效应：整流效应和欧姆效应。前者称为整流接 触，又叫做整流结。后者称为欧姆接触，又叫做非整流结。
➢ 金属与N型半导体接触如果金属的功函数大于半导体的功函数则将形成肖特基势垒。 ➢ 画出了热平衡情况下的肖特基势垒能带图。 ➢ 半导体空间电荷层自建电势为
第四章 金属—半导体结
引言
• 金属—半导体形成的冶金学接触叫做金属—半导体结（M-S结）或金属－半导体接 触。把须状的金属触针压在半导体晶体上或者在高真空下向半导体表面上蒸镀大面 积的金属薄膜都可以实现金属—半导体结，前者称为点接触，后者则相对地叫做面 接触。金属—半导体接触出现两个最重要的效应：其一是整流效应，其二是欧姆效 应。前者称为整流接触，又叫做整流结。后者称为欧姆接触，又叫做非整流结。
q S －半导体功函数
q m －金属的功函数
qS qm
S －半导体的电子亲和势。
假设半导体表面没有表面态，接触是理想的，半导体能带直到表面都是平直的。
自建电势差 0
肖特基势垒高度
0 ms
qbqmxs
（4-1） （4-2）
或
b 0 Vn
（4-3）
其中 V nE cE FqV TlnN n CV TlnN N C d
流效应。
引言
• 1938年肖特基和莫特（Mott）各自独立提出电子以漂移和扩散的方式越过势垒的观 点。
• 同年，塔姆（Tamm）提出表面态的概念。 • 1947年巴丁（Bardein）提出巴丁势垒模型。 • 由于点接触二极管的重复性很差，50年代，在大多数情况下它们已由PN结二极管所
代替。 • 到70年代，采用新的半导体平面工艺和真空工艺来制造具有重复性的金属—半导体
不变亦可从公式（4-3）看出〕
➢ 解Poisson方程可得肖特基势垒的空间电荷区宽度
W2k0qN0dVR12
式中 N d 为半导体的掺杂浓度， V R 为反向偏压。
（4-5）
4.1肖特基势垒
小结
➢ 肖特基势垒结电容
1
CkW 0A2q0k0NVdR2 A
（4-6）
或
1 C2
qk02 NdA2VR0
（4-7）
耗尽层
（ b）
（a）
图4-2 肖特基势垒的能带图（a）未加偏压（b）加有正向偏压
（c）加有反向偏压
4.1肖特基势垒
对于均匀掺杂的半导体，类似于 P N结，在空间电荷区解Poisson方程 可得空间电荷区宽度：
W2k0qN0dVR12
结电容：
1
CkW 0A2q0k0NVdR2 A
或
（4-5） （4-6）