7MESFET 及相关器件(半导体器件物理)
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E mW qN DW = Vbi − V = 2 2ε s
2
ρs
qN D
0
W
x
耗尽区宽度W可表示为
2ε s (Vbi − V ) W= qN D 而半导体内的空间电荷密度QSC 则为
QSC = qN DW = 2qε s N D (Vbi − V )
2
E
(a)
W
x
− Em
(b )
(C / cm )
其中对正向偏压，V为正VF；对反向偏压，V为负VR。
其中Jm→s代表由金属到半导体的电流， Js→m代表由半导体到金属的电流， 而C1则为比例常数。 当正向偏压加到结上时，跨越势垒的静电势差降低，因此表面的电子 浓度增加至 q(φ 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改变
E (x ) = qN D (W − x )
ρs
qN D
0
W
x
(a)
E W x
− Em
(b )
εs
= Em −
qN D
εs
x
Em =
qN DW
εs
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现代半导体器件物理与工艺
MESFET及相关器件 MESFET及相关器件 10
金属金属-半导体接触
图(b)中电场曲线下的面积， 也就是降落在空间电荷区的电压
金属金属-半导体接触
在半导体表面的电子若是具有比势垒高度更高的能量，便可以通过热 电子发射而进入金属中。此处，半导体的功函数qΦs被qΦBn取代，且
qφBn nth＝N c exp－ kT
其中NC是导带中的态密度。在热平衡时可以得到
J m→s = J s →m ∝ nth
qφ ⇒ J m→ s = J s →m = C1 N c exp − Bn kT
p 型半导体 EC EF EV
qVbi
对p型半导体而言， 可以获得相似的结果，不 过极性相反 。
正向偏压
qφ Bn
qVF
q(Vbi − VF )
qVR
q(Vbi + VR ) 反向偏压
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现代半导体器件物理与工艺
MESFET及相关器件 MESFET及相关器件 9
金属金属-半导体ຫໍສະໝຸດ Baidu触
图(a)与(b)分别为金-半接触的 电荷与电场分布。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。空 间电荷在半导体内的延伸范围为W ，也就是说在x<W处，ρs=qND ，而 在x>w处ρs=0。因此，其电荷分布 与单边突变的p+-n结的情况相同。 电场的大小随着距离增加而线 性变小，最大电场Em发生在界面处 ，因此得到电场分布为
qφm EF
qχ
qVbi = q(φm − φs )
Vbi = φ Bn − Vn
其中qVn 为导带底与费 米能级问的距离。对p型半 导体而言，也可获得类似的 结果。
qφBn = q(φm − χ )
qφs EC EF
EV (b) 热平衡时金属－半导体接触的能带图
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现代半导体器件物理与工艺
− qφ Bn J s = A T 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。 右图为两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。
金属金属-半导体接触
下图为热电子发射的过程。在热平衡时，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。
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现代半导体器件物理与工艺
MESFET及相关器件 MESFET及相关器件 15
桂林电子科技大学 现代半导体器件物理与工艺 MESFET及相关器件 MESFET及相关器件 12
金属金属-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 × 10 15 cm −3 1.6 × 10 −19 × (11.9 × 8.85 × 10 −14 ) 4.4 × 1015
MESFET及相关器件 MESFET及相关器件 7
金属金属-半导体接触
图(a)所示为不同偏压情况下金属在n型 半导体上的能带图。当偏压为零时，即处 于热平衡的情况下，两种材料间具有相同 的费米能级。如果在金属上施以相对于n型 半导体为正的电压时，则半导体到金属的 势垒高度将变小，如图(b)所示，由于势垒 降低了VF ，使得电子变得更易由半导体进 入金属 。 当施以一反向偏压，将使得势垒提高 了VR，如图(c)所示。因此对电子而言，将 变得更难从半导体进入金属中。
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金属金属-半导体接触
因此，对一已知半导体与任一金属而言，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：
q (φ Bn + φ Bp ) = E g
在图中的半导体侧， Vbi 为电子由半导体导带上 欲进入金属时遇到的内建电 势，且
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现代半导体器件物理与工艺
MESFET及相关器件 MESFET及相关器件 2
MESFET
MESFET 具 有 与 MOSFET相似的电流电 压 特 性。 然而 在器 件的栅电极部分， MESFET 利 用 金 属 - 半 导 体 的 整流 接 触 取代 了 MOSFET 的 MOS 结 构 ； 而 在源 极 与 漏极 部 分 ， MESFET 以 欧 姆 接 触 取 代 MOSFET 中的p-n结。
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现代半导体器件物理与工艺
MESFET及相关器件 MESFET及相关器件 4
金属金属-半导体接触
基本特性
金-半接触可分为两种形式：整流性与非整流的欧姆性。 右上 图即为一金属-半接触的结构示意图。
金属
右下图所示为一独立 金属和一独立n型半导体 的能带图。值得注意的是 ，一般金属的功函数qφm φ 并不同于半导体的功函数 qφs 。 功 函 数 定义 为 费 米 能级和真空能级之差。图 中也标示了电子亲和力qχ ，它是半导体导带端与真 空能级的能量差。
V
半导体
(b) 金半接触的一维结构
真空能级
qφm q (φm − χ )
金属
qχ
qφs EC EF EV
半导体
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现代半导体器件物理与工艺
MESFET及相关器件 MESFET及相关器件 5
金属金属-半导体接触
基本特性： 基本特性：
当金属与半导体紧密接触时，两种不同材料的费米能级在热平 衡时应相同，此外，真空能级也必须是连续的。这两项要求决定了 理想的金半接触独特的能带图，如图所示。 理想状况下，势垒 高度qφBn即为金属功函数 与电子亲和力之差：
Lgs
L Z
Lgd 源极 栅极 漏极
a
n型 半导体绝缘 衬底 L (a ) MESFET 的透视图
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现代半导体器件物理与工艺
MESFET及相关器件 MESFET及相关器件 3
MESFET
MESFET与其他的场效应器件一样，在高电流时具有负 的温度系数，即随着温度的升高电流反而下降。因此即使是 使用大尺寸的有源器件或将许多器件并接使用时，仍可维持 热稳定。此外，由于MESFET可用GaAs、InP等具有高电子 迁移率的化合物半导体制造，因此具有比硅基MOSFET高的 开关速度与截止频率。 MESFET结构的基础在于金半接触，在电特性上它相当 于单边突变的p-n结，然而在工作时，它具有多数载流子器 件所享有的快速响应。
J = J s →m − J m→s
同理，对反向偏压的情况而言，其净电流的表示式与上式相同，只是其中 的VF被替换成-VR。 系数C1NC实际上等于A*T2．A*称为有效理查逊常数[单位为A/(K2·cm2)] ，而T为绝对温度． 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。
若耗尽区的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，则势垒高度便可由
Vbi = φBn − Vn
求得。将l/C2时V作微分，重新整理可得
−1 2 qε S d(1 / C 2 ) / dV 因此，利用测量所得单位面积电容C与电压V的关系，可由上式得出 杂质的分布。 ND =
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 2.86 ×1019 = 0.0259 ln 2.7 ×1015 = 0.24V
qVR
n 型半导体
qφ Bn
qVbi
EC EF EV (a )
q(Vbi − VF )
qVF (b) q (Vbi + VR )
对p型半导体而言，我们可以获得相似 的结果，不过极性相反 。
(c)
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现代半导体器件物理与工艺
MESFET及相关器件 MESFET及相关器件 8
金属金属-半导体接触
因为截距为0.42V，因此势垒高度为
φ Bn = 0.42V + 0.24V = 0.66V
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金属金属-半导体接触
肖特基势垒 肖特基势垒指一具有大的势垒高度(即φBn或φBp>>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。
桂林电子科技大学
现代半导体器件物理与工艺
MESFET及相关器件 MESFET及相关器件 17
金属金属-半导体接触
在热电子发射的情形下，金属-半导体接触的电流-电压特性可以表示为
qV J = J s exp kT
∗ 2
− 1
100
10 −1
J F /(A • cm −2 ) m
肖特基势垒中，电流的传导主要由多数载流子来完成，这 与由少数载流子来进行电流传导的p-n结不同。对工作在适当 温度(如300K)下的肖特基二极管而言，其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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现代半导体器件物理与工艺
MESFET及相关器件 MESFET及相关器件 14
现代半导体器 件物理与工艺
Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices
MESFET及相关器件 MESFET及相关器件
2004,7,30
桂林电子科技大学
现代半导体器件物理与工艺
MESFET及相关器件 MESFET及相关器件 1
本章内容
金属-半导体接触 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
桂林电子科技大学 现代半导体器件物理与工艺 MESFET及相关器件 MESFET及相关器件 11
金属金属-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 = ∂V qε S N D ε = S 2(Vbi − V ) W
即
2(Vbi − V ) 1 = qε s N D C2
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金属金属-半导体接触
然而，由金属流向半导体的电子流量维持不变，因为势垒φBn维持与平 衡时相同的值。正向偏压下的净电流为
q(φ Bn − VF ) qφ = C1 N c exp − − C1 N c exp − Bn kT kT qφ Bn = C1 N c exp − kT qVF exp − 1 kT
qφm EF
qχ
qVbi = q(φm − φs )
qφBn = qφm − qx
同理，对金属与p型 半导体的理想结而言， 其势垒高度qφBp则为
qφBn = q(φm − χ )
qφs EC EF
EV (b) 热平衡时金属－半导体接触的能带图
qφ Bp = E g − (qφ m − qx) 其中Eg为半导体的禁带宽度
2
ρs
qN D
0
W
x
耗尽区宽度W可表示为
2ε s (Vbi − V ) W= qN D 而半导体内的空间电荷密度QSC 则为
QSC = qN DW = 2qε s N D (Vbi − V )
2
E
(a)
W
x
− Em
(b )
(C / cm )
其中对正向偏压，V为正VF；对反向偏压，V为负VR。
其中Jm→s代表由金属到半导体的电流， Js→m代表由半导体到金属的电流， 而C1则为比例常数。 当正向偏压加到结上时，跨越势垒的静电势差降低，因此表面的电子 浓度增加至 q(φ 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改变
E (x ) = qN D (W − x )
ρs
qN D
0
W
x
(a)
E W x
− Em
(b )
εs
= Em −
qN D
εs
x
Em =
qN DW
εs
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金属金属-半导体接触
图(b)中电场曲线下的面积， 也就是降落在空间电荷区的电压
金属金属-半导体接触
在半导体表面的电子若是具有比势垒高度更高的能量，便可以通过热 电子发射而进入金属中。此处，半导体的功函数qΦs被qΦBn取代，且
qφBn nth＝N c exp－ kT
其中NC是导带中的态密度。在热平衡时可以得到
J m→s = J s →m ∝ nth
qφ ⇒ J m→ s = J s →m = C1 N c exp − Bn kT
p 型半导体 EC EF EV
qVbi
对p型半导体而言， 可以获得相似的结果，不 过极性相反 。
正向偏压
qφ Bn
qVF
q(Vbi − VF )
qVR
q(Vbi + VR ) 反向偏压
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金属金属-半导体ຫໍສະໝຸດ Baidu触
图(a)与(b)分别为金-半接触的 电荷与电场分布。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。空 间电荷在半导体内的延伸范围为W ，也就是说在x<W处，ρs=qND ，而 在x>w处ρs=0。因此，其电荷分布 与单边突变的p+-n结的情况相同。 电场的大小随着距离增加而线 性变小，最大电场Em发生在界面处 ，因此得到电场分布为
qφm EF
qχ
qVbi = q(φm − φs )
Vbi = φ Bn − Vn
其中qVn 为导带底与费 米能级问的距离。对p型半 导体而言，也可获得类似的 结果。
qφBn = q(φm − χ )
qφs EC EF
EV (b) 热平衡时金属－半导体接触的能带图
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− qφ Bn J s = A T 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。 右图为两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。
金属金属-半导体接触
下图为热电子发射的过程。在热平衡时，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。
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金属金属-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 × 10 15 cm −3 1.6 × 10 −19 × (11.9 × 8.85 × 10 −14 ) 4.4 × 1015
MESFET及相关器件 MESFET及相关器件 7
金属金属-半导体接触
图(a)所示为不同偏压情况下金属在n型 半导体上的能带图。当偏压为零时，即处 于热平衡的情况下，两种材料间具有相同 的费米能级。如果在金属上施以相对于n型 半导体为正的电压时，则半导体到金属的 势垒高度将变小，如图(b)所示，由于势垒 降低了VF ，使得电子变得更易由半导体进 入金属 。 当施以一反向偏压，将使得势垒提高 了VR，如图(c)所示。因此对电子而言，将 变得更难从半导体进入金属中。
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金属金属-半导体接触
因此，对一已知半导体与任一金属而言，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：
q (φ Bn + φ Bp ) = E g
在图中的半导体侧， Vbi 为电子由半导体导带上 欲进入金属时遇到的内建电 势，且
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MESFET
MESFET 具 有 与 MOSFET相似的电流电 压 特 性。 然而 在器 件的栅电极部分， MESFET 利 用 金 属 - 半 导 体 的 整流 接 触 取代 了 MOSFET 的 MOS 结 构 ； 而 在源 极 与 漏极 部 分 ， MESFET 以 欧 姆 接 触 取 代 MOSFET 中的p-n结。
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金属金属-半导体接触
基本特性
金-半接触可分为两种形式：整流性与非整流的欧姆性。 右上 图即为一金属-半接触的结构示意图。
金属
右下图所示为一独立 金属和一独立n型半导体 的能带图。值得注意的是 ，一般金属的功函数qφm φ 并不同于半导体的功函数 qφs 。 功 函 数 定义 为 费 米 能级和真空能级之差。图 中也标示了电子亲和力qχ ，它是半导体导带端与真 空能级的能量差。
V
半导体
(b) 金半接触的一维结构
真空能级
qφm q (φm − χ )
金属
qχ
qφs EC EF EV
半导体
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金属金属-半导体接触
基本特性： 基本特性：
当金属与半导体紧密接触时，两种不同材料的费米能级在热平 衡时应相同，此外，真空能级也必须是连续的。这两项要求决定了 理想的金半接触独特的能带图，如图所示。 理想状况下，势垒 高度qφBn即为金属功函数 与电子亲和力之差：
Lgs
L Z
Lgd 源极 栅极 漏极
a
n型 半导体绝缘 衬底 L (a ) MESFET 的透视图
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MESFET及相关器件 MESFET及相关器件 3
MESFET
MESFET与其他的场效应器件一样，在高电流时具有负 的温度系数，即随着温度的升高电流反而下降。因此即使是 使用大尺寸的有源器件或将许多器件并接使用时，仍可维持 热稳定。此外，由于MESFET可用GaAs、InP等具有高电子 迁移率的化合物半导体制造，因此具有比硅基MOSFET高的 开关速度与截止频率。 MESFET结构的基础在于金半接触，在电特性上它相当 于单边突变的p-n结，然而在工作时，它具有多数载流子器 件所享有的快速响应。
J = J s →m − J m→s
同理，对反向偏压的情况而言，其净电流的表示式与上式相同，只是其中 的VF被替换成-VR。 系数C1NC实际上等于A*T2．A*称为有效理查逊常数[单位为A/(K2·cm2)] ，而T为绝对温度． 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。
若耗尽区的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，则势垒高度便可由
Vbi = φBn − Vn
求得。将l/C2时V作微分，重新整理可得
−1 2 qε S d(1 / C 2 ) / dV 因此，利用测量所得单位面积电容C与电压V的关系，可由上式得出 杂质的分布。 ND =
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 2.86 ×1019 = 0.0259 ln 2.7 ×1015 = 0.24V
qVR
n 型半导体
qφ Bn
qVbi
EC EF EV (a )
q(Vbi − VF )
qVF (b) q (Vbi + VR )
对p型半导体而言，我们可以获得相似 的结果，不过极性相反 。
(c)
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金属金属-半导体接触
因为截距为0.42V，因此势垒高度为
φ Bn = 0.42V + 0.24V = 0.66V
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金属金属-半导体接触
肖特基势垒 肖特基势垒指一具有大的势垒高度(即φBn或φBp>>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。
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金属金属-半导体接触
在热电子发射的情形下，金属-半导体接触的电流-电压特性可以表示为
qV J = J s exp kT
∗ 2
− 1
100
10 −1
J F /(A • cm −2 ) m
肖特基势垒中，电流的传导主要由多数载流子来完成，这 与由少数载流子来进行电流传导的p-n结不同。对工作在适当 温度(如300K)下的肖特基二极管而言，其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 MESFET及相关器件 14
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MESFET及相关器件 MESFET及相关器件
2004,7,30
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本章内容
金属-半导体接触 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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金属金属-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 = ∂V qε S N D ε = S 2(Vbi − V ) W
即
2(Vbi − V ) 1 = qε s N D C2
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金属金属-半导体接触
然而，由金属流向半导体的电子流量维持不变，因为势垒φBn维持与平 衡时相同的值。正向偏压下的净电流为
q(φ Bn − VF ) qφ = C1 N c exp − − C1 N c exp − Bn kT kT qφ Bn = C1 N c exp − kT qVF exp − 1 kT
qφm EF
qχ
qVbi = q(φm − φs )
qφBn = qφm − qx
同理，对金属与p型 半导体的理想结而言， 其势垒高度qφBp则为
qφBn = q(φm − χ )
qφs EC EF
EV (b) 热平衡时金属－半导体接触的能带图
qφ Bp = E g − (qφ m − qx) 其中Eg为半导体的禁带宽度