单极型半导体器件

单极型半导体器件第一页，共十九页，编辑于2023年，星期五黄君凯教授绝缘栅场效应晶体管（金属-绝缘体-半导体场效应晶体管）（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）（IGFET：MISFET，MOSFET）：表面场效应晶体管。基本结构

金属-半导体结构（M-S结构）。

金属–氧化物–半导体结构（MOS结构）。第二页，共十九页，编辑于2023年，星期五黄君凯教授3.1金属–半导体接触3.1.1金属–半导体结构一、热平衡时的能带结构

1.几个物理量

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 出体外刚好处于静止时的能量。

功函数： 一个起始能量等于的电子逸出材料体内进入真 空中所需的最小能量，是以电势表示的功函数。 其中金属功函数为：（3-1）第三页，共十九页，编辑于2023年，星期五黄君凯教授

半导体功函数为：（3-2）因此，与掺杂情况有关。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。

（3-3）式中称为电子亲和势，与掺杂无关，仅由材料决定。

空间电荷区扩散运动空间电荷区内建电场漂移运动热平衡M-S结（仅由半导体表面层杂质提供，如情况）（和都一定，没有净电流）热平衡下的能带结构第四页，共十九页，编辑于2023年，星期五黄君凯教授能带结构（Al-n-Si）

第五页，共十九页，编辑于2023年，星期五黄君凯教授能带弯曲，形成势垒。半导体势垒：金属势垒（肖特基势垒高度）（3-4）（3-5）[注意]

能带弯曲判断方法：

越大处电势越高，但该处电子能量越低。第六页，共十九页，编辑于2023年，星期五黄君凯教授势垒

阻挡层（肖特基势垒）：对多子其阻挡作用（电阻高）

反阻挡层（肖特基势阱）：对多子起“反”阻挡作用（电阻低)由式（2-32）得出，肖特基势垒宽度为：

（3-6）[例题7]

画出金属（功函数）-半导体（功函数）结 （包括n、p型）四种平衡状态的能带图。第七页，共十九页，编辑于2023年，星期五黄君凯教授[分析]第八页，共十九页，编辑于2023年，星期五黄君凯教授二、非平衡时的能带结构

判断MS结正反偏置依据分析和方向是否能带结构 平衡 非平衡相反：正向偏置相同：反向偏置势

垒电阻高电阻低动力：外加电源提供净电流流动第九页，共十九页，编辑于2023年，星期五黄君凯教授第十页，共十九页，编辑于2023年，星期五黄君凯教授2.电容效应

类似于结，外偏压下半导体耗尽层宽度W将改 变，空间电荷也将改变，故存在势垒电容。由式（2-36） （2-37）易证明，MS结单位面积势垒电容可写成：

（3-7）这里：（3-8） 因此，通过实验测量的曲线，依据式（2-39）

（2-40）便可求出半导体势垒高度及其体内的杂质浓 度分布。第十一页，共十九页，编辑于2023年，星期五黄君凯教授[例题8]

金属a，b分别与等面积的两种（且迁移率 相同）A和B形成肖特基整流接触，这两个MS结 的实验曲线如下图，判断哪种半导体硅的电阻率较 大？哪种金属的功函数较高？[解]

对MS结，因 成立，对右图有:

故，又电阻率 故。第十二页，共十九页，编辑于2023年，星期五黄君凯教授由于两个MS结都形成整流接触，由能带图易知有：式中： （室温下）由于：，故因此：第十三页，共十九页，编辑于2023年，星期五黄君凯教授3.1.2伏安特性及肖特基二极管1.定性分析（1）正偏 势垒高度随改变多子电流(正向电流)

随增加而增大 不随改变，且反向电流极小（2）反偏 下 势垒高度升高多子电流很小 不随改变，且反向电流极小

（本身很高）一、整流接触情况下的伏安特性第十四页，共十九页，编辑于2023年，星期五黄君凯教授2.MS结整流方程 理论结果如下：式中为饱和电流，其表达式与计算时采用的模型有关。二、肖特基二级管 肖特基二级管 利用金属-半导体整流接触特性制成的二极管称肖 特基二极管。 肖特基二极管方程 经验结果如下：（3-9）

第十五页，共十九页，编辑于2023年，星期五黄君凯教授其中，反向饱和电流与电压无关，，称为二极管发射系数。对Si而言，导通电压通常仅有0.3V左右。[注意]

肖特基二极管正向电流由半导体多子进入金属形 成，因而不发生积累，便直接成为漂移电流流走， 故比pn结二极管具有更好的高频特性。第十六页，共十九页，编辑于2023年，星期五黄君凯教授3.1.3非整流接触：隧道欧姆接触 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。 隧道欧姆接触 半导体重掺杂下的M-S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 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。第十七页，共十九页，编辑于2023年，星期五黄君凯教授第十八页，共十九页，编辑于2023年，星期五黄君凯教授 MS结

整流接触：接触本身产生明显阻抗，具有阻挡特性。 例如当，时形 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，