半导体物理与器件基础知识

1、半导体物理与器件基础知识9金属半导体与半导体异质结一、肖特基势垒二极管欧姆接触通过金属-半导体的接触实现的连接。接触电阻很低。金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触 后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。之间形成势垒为肖特基势 垒。在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属一一半 导体结的金属区中存在表面负电荷。影响肖特基势垒高度的非理想因素 ：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效 应。金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。附金属-电介质表面想像的电场线;（b）零电场时的电热能曲线;熊）恒定电场

2、时的电势电流一一电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于 pn结的少数载流子的 扩散运动决定电流，而就是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差 形成。附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线： 反向电流随反偏电压增大而增大就是由于势垒降低的影响。肖特基势垒二极管与 Pn结二极管的比较：1、反向饱与电流密度（同上），有效开启 电压低于Pn结二极管的有效开启电压。2、开关特性肖特基二极管更好。应为肖 特基二极管就是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。从正偏到 反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。二、金属-半导体的欧姆接触附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意

3、图侵型的理想情况图1厂*9. 13丛 JJ. A 曲k电子发射用 导体p型程康申滋t 这种电荷的转移相应于空穴从半导体流露;表面过量的空穴堆枳使得一很容易从金属流向平手L是欧姆接触。三、异质结：两种不同的半导体形成一个结小结:1、当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度 降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。2、肖特基二极管的反向饱与电流比 pn结的大，因此达到相同电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低10双极型晶体管双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区与两个 Pn结,两个结很近所以之间可以互 相作用。之所以成为双极型晶体管，就是应为这种器件中包含电子与空穴两

4、种极 性不同的载流子运动。-、工作原理附npn型与pnp型的结构图10 4 时 打 ”* T 4岫县管聚川这仲二7'一 用"h”叫邪初1小甲刈口槿JAMitzmrRMhWzM”w A川WW” i品伴内卜点MMNMM翻睡卵闻料发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低附常规npn截面图造成实际结构复杂的原因就是：1、各端点引线要做在表面上，为了降低半导体的电 阻必须要有重掺杂的 N+型掩埋层。2、一片半导体材料上要做很多的双极型晶 体管,各自必须隔离，应为不就是所有的集电极都就是同一个电位。通常情况下，BE结就是正偏的，BC结就是反偏的。称为正向有源。附图：由于发射结正偏，电子就从

5、发射区越过发射结注入到基区。BC结反偏，所以在BC结边界，理想情况下少子电子浓度为零。附基区中电子浓度示意图：电子浓度梯度表明，从发射区注入的电子会越过基区扩散到BC结的空间电荷区，那里的电场会将电子扫到集电区。我们希望更多的电子能够进入集电区而不就是 在基区与多子空穴复合。因此与少子扩散长度相比，基区宽度必须很小。工作模式：附共发射极电路中npn型双极型晶体管示意图1、如果BE电压为零或者小于零（反偏），那么发射区中的多子电子就不会注入 到基区。由于BC也就是反偏的，这种情况下，发射机电流与集电极电流就是 零。称为截至状态。2、随着BE结电压增大，集电极电流会增大，从而集电极上电阻分压 Vr

6、增大, 意味着在晶体管CB上分压绝对值减小；在某一点出，集电极电流会增大到组后大 使得电阻分压后再BC结零偏。过了这一点后，集电极电流微笑增加会导致 Vr微 小增加，从而使BC结变为正偏（Vcb<0）。称为饱与。饱与时，BE结与B-C 结都就是正偏的，集电极电流不受BE结电压。附双极型晶体管共发射极的电流电压特性，添加了负载线：Ic=0时晶体管处于截至区。当基极电流变化时，集电极电流没有变化，处于饱与区。 当Ic=B Ib£立时，晶体管处于正向有源区。小结：1、基区宽度调制效应（厄尔利J效应）:中性基区宽度随BC结电压变化而发生变 化,于就是集电极电流随BC结或C-E结电压变化

7、而变化。2、大注入效应使得集电极电流随 C-一E结电压增加而低速率增加。11金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础MOSFET勺核心就是MOS电容。在半导体中，由于施加了一个穿过 MOS电容的电 压,氧化物-半导体界面的能带将发生弯曲。其费米能级就是该电压的函数，因此通 过适当的电压可以使得半导体表面的特性从 p型转换为N型，或n型转换为p型。 附基本mos电容结构金星家化层）辛什体科应基小MOS电容结构二皿山世加以解释口4M2”r邢|平带电压:使半导体内部没有能带弯曲所加的栅压。阈值电压：达到阈值反型点所需要的栅压。阈值反型点：表面势？s为两倍的?f（费米能级与本征费米能级之差）的状态、当小于

8、阈值电压时，未强反型，沟道未形 成,截至;大于等于阈值电压时，强反型，沟道形成,导通。阈值电压大于零，为增强型，零栅压时未反型。阈值电压小于零，为耗尽型，零栅压时 已反型。对于p型衬底的Mos,能使反型层电荷密度改变的来源有：1、来自空间电荷区P 型衬底的少子电子的扩散；2、热运动产生的电子空穴对。界面态:半导体在界面处的周期突然停止，使得电子能级存在于禁带中，这些允许 的能太称为界面态。三、MOSFET勺基本工作原理附N沟增强型MOSFETt耗尽型白剖面图：（注意电路符号）们已经知道p型衬底MOS器件的网但电庄臼髭”外，心. 在了。这种器件也被认为是耗尽型器件口图:打的口力道 区一 n沟耗尽

9、型MOSFET的电流符号如图所示:料底或体IB)沟堆强P WZET的剖面图和电路符号图11*附l(D)-V(GS内线的原理图附n沟增强型MOSFET勺特性曲线当V（DS次于阈值电压时，沟道中反型电荷为零的点移向愿端。 此时电子从源端进 入沟道,通过沟道流向漏端。在电荷为零的点处，电子被注入空间电荷区，并被电场 扫向漏端。附n沟耗尽型MOSFET勺特性曲线导减小，漏电流减小Q正栅压可以产生一个生 摭1县沟4首厚度t图1L41 n沟增强型MOSFET 的%s特性曲线必须小于最大空移向源端。这时，电子从源端进入沟道，通 空同电荷区，并速荡后而蒲部：如果假设 小,那么当Vl）s > %s（sat

10、）时漏电流为一常 图1L40d显示了此种情形的示意图。C1!）s（sai） - Vp自 I Yg > Vgs4343Vg > vT > 0的n沟耗尽型MOSFET的/旷心特性曲线族示于Vsat)=% 一。为S2 >哈立匕SI A 0如K J_ %.voVr <均孰 < 吃53物一图11.431】沟耗尽型MOSFKT的力-h特性曲线族 ., 一> 1一 4 - Ai 4 口 1亚阈值电导就是指在MOSFETS当栅源电压小于阈值电压时漏电流不为零。 这种 情况下，晶体管被偏置在弱反型模式下，漏电流就是由扩散机制而非漂移机制控 制。该电导会在集成电路中产生一个明显的静态偏置电流。13结型场效应晶体管PnJEFT勺基本工作原理以N沟为例，多数载流子电子 自源极流向漏极，器件的栅极就是控制端。 附改变栅源电压的电流