单极型半导体器件 ppt课件

1、第三章第三章 单极型半导体器件单极型半导体器件晶体管晶体管双极型晶体管结型晶体管：双极型晶体管结型晶体管：有两种载流子电子、空穴参与任务。有两种载流子电子、空穴参与任务。单极型晶体管场效应晶体管：单极型晶体管场效应晶体管：只需一种极性载流子参与任务，而且是多子。只需一种极性载流子参与任务，而且是多子。单极型晶体管单极型晶体管结型场效应晶体管结型场效应晶体管JFET：体内场效应晶体管。：体内场效应晶体管。金属金属 - 半导体场效应晶体管肖特基场效应晶体管半导体场效应晶体管肖特基场效应晶体管MESFET：体内场效应晶体管。：体内场效应晶体管。绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管 金属金属-绝缘体绝

2、缘体-半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管 IGFET：MISFET，MOSFET：外表场效应晶体管。：外表场效应晶体管。根本构造根本构造金属金属 - 半导体构造半导体构造M-S 构造。构造。金属金属 氧化物氧化物 半导体构造半导体构造MOS 构造。构造。3.1 金属金属 半导体接触半导体接触3.1.1 金属金属 半导体构造半导体构造一、一、 热平衡时的能带构造热平衡时的能带构造1. 几个物理量几个物理量 电子的真空能级电子的真空能级 ： 半导体内部电子处于势阱中运动，电子从其中逸半导体内部电子处于势阱中运动，电子从其中逸 出体外刚

3、益处于静止时的能量。出体外刚益处于静止时的能量。 功函数功函数 ： 一个起始能量等于一个起始能量等于 的电子逸出资料体内进入真的电子逸出资料体内进入真 空中所需的最小能量，空中所需的最小能量， 是以电势表示的功函数。是以电势表示的功函数。 其中其中 金属功函数金属功函数 为：为： 3- 10EWqFEMW0MFMMWEEq半导体功函数半导体功函数 为：为： 3- 2因此，因此， 与掺杂情况有关。与掺杂情况有关。 电子亲和能电子亲和能 ： 半导体导带底电子逸出到真空中所需的最小能量。半导体导带底电子逸出到真空中所需的最小能量。 3- 3式中式中 称为电子亲和势，与掺杂无关，仅由资料决议。称为电子

4、亲和势，与掺杂无关，仅由资料决议。空间电荷区空间电荷区SW0SFSSWEEqSWq0CqEE分散运动分散运动空间电荷区空间电荷区内建电场内建电场漂移运动漂移运动热平衡热平衡 M-S 结结仅由半导体外表层杂质提供，如仅由半导体外表层杂质提供，如 情况情况p n 和和 都一定，没有净电流都一定，没有净电流E内nxW热平衡下的能带构造热平衡下的能带构造能带构造能带构造Al - n-Si MnSiWWn-Si Al电子能量电子能量FMFSEE能带弯曲，构成势垒。能带弯曲，构成势垒。半导体势垒半导体势垒 ：金属势垒金属势垒 肖特基势垒高度肖特基势垒高度0DMSqVWWDqV()()BDCFSMqqVEE

5、q体内Bq3- 43- 5 留意留意 能带弯曲判别方法：能带弯曲判别方法： 越大处电势越高，但该处电子能量越低。越大处电势越高，但该处电子能量越低。E内势垒势垒阻挠层肖特基势垒：对多子其阻挠作用电阻高。阻挠层肖特基势垒：对多子其阻挠作用电阻高。反阻挠层肖特基势阱：对多子起反阻挠层肖特基势阱：对多子起“反阻挠作用电阻低。反阻挠作用电阻低。由式由式2- 32得出，肖特基势垒宽度得出，肖特基势垒宽度 为：为： 3- 6 例题例题 7 画出金属功函数画出金属功函数 - 半导体功函数半导体功函数 结结 包括包括 n、p 型四种平衡形状的能带图。型四种平衡形状的能带图。1/ 22()SDDVWqNMWSW

6、W 分析分析 二、二、 非平衡时的能带构造非平衡时的能带构造 判别判别 MS 结正反偏置根据结正反偏置根据 分析分析 和和 方向能否方向能否能带构造能带构造平衡平衡非平衡非平衡E内E外相反：正向偏置相反：正向偏置一样：反向偏置一样：反向偏置FVRV ()DDqVq VV BBqqFMFSEEAl-Si n电子能量电子能量势势垒垒FMFSEE电阻高电阻高电阻低电阻低动力：外加电源提供动力：外加电源提供净电流流动净电流流动2. 电容效应电容效应类似于类似于 结，外偏压下半导体耗尽层宽度结，外偏压下半导体耗尽层宽度 W 将改将改变，空间电荷也将改动，故存在势垒电容。由式变，空间电荷也将改动，故存在势

7、垒电容。由式2- 362- 37易证明，易证明， MS 结单位面积势垒电容结单位面积势垒电容 可写成：可写成： 3 -7 这里：这里： 3 -8因此，经过实验丈量的因此，经过实验丈量的 曲线，根据式曲线，根据式2- 39 2- 40便可求出半导体势垒高度便可求出半导体势垒高度 及其体内的杂质浓及其体内的杂质浓度分布。度分布。p nTC122()()SDSTDqNCVVW V122()()2SDDVVW VN21TVCDV 例题例题8 金属金属 a，b分别与等面积的两种分别与等面积的两种 且迁移率且迁移率 一样一样A 和和 B 构成肖特基整流接触，这两个构成肖特基整流接触，这两个 MS 结结 的

8、实验曲线如以下图，判别哪种半导体硅的电阻率的实验曲线如以下图，判别哪种半导体硅的电阻率较较 大？哪种金属的功函数较高？大？哪种金属的功函数较高？ 解解 对对 MS 结，因结，因 成立，对右图有成立，对右图有故故 ，又电阻率，又电阻率 故故 。Sin 212() /TGSBddVCqN22III11() /() /TTGGddVddVCC曲线 曲线 ()()D BD ANN1qNSi()Si()AB由于两个由于两个 MS 结都构成整流接触，由能带图易知有：结都构成整流接触，由能带图易知有：式中：式中： 室温下室温下 由于：由于： ，故，故因此：因此： ()MMSiDCFSWqqqVEE体内()l

9、nCCFSDNEEkTN体内0DnN()()D BD ANN()()()()CFS BCFS AEEEE体内体内( )()MbMaWW3.1.2 伏安特性及肖特基二极管伏安特性及肖特基二极管1. 定性分析定性分析1正偏正偏 势垒高度势垒高度 随随 改动改动 多子电流多子电流(正向电流正向电流) 随随 添加而增大添加而增大 不随不随 改动，且改动，且 反向电流极小反向电流极小2反偏反偏下下 势垒高度势垒高度 升高升高 多子电流很小多子电流很小 不随不随 改动，且改动，且 反向电流极小反向电流极小 本身很高本身很高一、一、 整流接触情况下的伏安特性整流接触情况下的伏安特性FV()DFq VVFVB

10、qFV()BDFqq VVFVRV()DRq VVBqRV()DRBq VVqBq 2. MS结整流方程结整流方程 实际结果如下：实际结果如下：式中式中 为饱和电流，其表达式与计算时采用的模型有关。为饱和电流，其表达式与计算时采用的模型有关。二、肖特基二级管二、肖特基二级管肖特基二级管肖特基二级管利用金属利用金属 - 半导体基流接触特性制成的二极管称肖半导体基流接触特性制成的二极管称肖特基二极管。特基二极管。肖特基二极管方程肖特基二极管方程阅历结果如下：阅历结果如下： 3- 9 exp()1SqVJJkTSJexp()1SqVJJnkT其中，反向饱和电流其中，反向饱和电流 与电压无关，与电压无

11、关， ，称为二极管发射系数。对称为二极管发射系数。对 Si而言，导通电压而言，导通电压 通常仅有通常仅有 0.3 V 左右。左右。 留意留意 肖特基二极管正向电流由半导体多子进入金属形肖特基二极管正向电流由半导体多子进入金属形 成，因此不发生积累，便直接成为漂移电流流走，成，因此不发生积累，便直接成为漂移电流流走， 故比故比 pn 结二极管具有更好的高频特性。结二极管具有更好的高频特性。SJ1.02 1.15n 0V3.1.3 非整流接触：隧道欧姆接触非整流接触：隧道欧姆接触非整流接触欧姆接触特点非整流接触欧姆接触特点接触电阻很小，具有线性和对称的伏安特性。接触电阻很小，具有线性和对称的伏安特

12、性。隧道欧姆接触隧道欧姆接触半导体重掺杂下的半导体重掺杂下的 M-S 接触称为隧道欧姆接触。接触称为隧道欧姆接触。因这时半导体势垒宽度很小，易发生隧道效应，隧道因这时半导体势垒宽度很小，易发生隧道效应，隧道电流成为二极管电流主要部分。这种电流具有近似线电流成为二极管电流主要部分。这种电流具有近似线性和对称的伏安关系，故接触电阻很小。性和对称的伏安关系，故接触电阻很小。MS 结结整流接触：接触本身产生明显阻抗，具有阻挠特性。整流接触：接触本身产生明显阻抗，具有阻挠特性。 例如当例如当 ， 时形时形 成的肖特基势垒。成的肖特基势垒。非整流接触欧姆接触：接触本身不产生明显阻抗，非整流接触欧姆接触：接触本身不产生明显阻抗， 具有非阻挠欧姆特性。具有非阻挠欧姆特性。 1隧道欧姆接触：接触区中的半导体重掺杂，直至简倂。隧道欧姆接触：接触