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1、MESFET及相關器件現(xiàn)代半導體器件物理PhysicsofModernSemiconductorDevices2004,7,30本章內(nèi)容金屬-半導體接觸金半場效應晶體管調(diào)制摻雜場效應晶體管MESFET與MOSFET相似之處：具有相似的電流-電壓特性。不同之處：柵電極部分，MESFET利用金屬-半導體的整流接觸取代了MOSFET的MOS結構；源極與漏極部分，MESFET以歐姆接觸取代MOSFET中的p-n結。MESFET2SiOL+n+njrZdp襯底z)(yEy)(xEx源極柵極漏極2SiOL+n+njrZd
2、p襯底襯底z)(yEy)(xExz)(yEy)(xEx源極柵極漏極金-半接觸可分為兩種形式：整流性與非整流的歐姆性。功函數(shù)定義為費米能級和真空能級之差。電子親和力qχ，它是半導體導帶端與真空能級的能量差?；咎匦越饘?半導體接觸獨立金屬能帶圖獨立n型半導體能帶圖金屬的功函數(shù)半導體的功函數(shù)金-半接觸并處于熱平衡時，兩者費米能級相同，真空能級必須連續(xù)理想狀況下，金屬與n型半導體的勢壘高度能帶情況金屬與p型半導體勢壘高度金屬-半導體接觸在n型和p型襯底上的勢壘高度和，恰等于半導體的禁帶寬度則Vbi為電子由半導體導帶
3、上欲進入金屬時遇到的內(nèi)建電勢金屬-半導體接觸qVn勢壘降低了VF金屬-半導體接觸偏壓為零正向偏壓反向偏壓勢壘提高了VR（+）（-）（+）（-）（+）（-）（+）（-）假設金屬為完美導體，由半導體遷移過來的電荷將存在于其表面極狹窄的區(qū)域內(nèi)。電荷分布與單邊突變的p+-n結的情況相同。在xw處，ρs=0電場大小隨著距離增加而線性變小金屬-半導體接觸金-半接觸的電荷與電場分布最大電場Em發(fā)生在界面處降落在空間電荷區(qū)的電壓為圖中電場曲線下的面積耗盡區(qū)寬度W可表示為半導體內(nèi)的空間電荷密度QSC其
4、中對正向偏壓，V為+VF；對反向偏壓，V為-VR。金屬-半導體接觸每單位面積的耗盡區(qū)電容C則可由上式計算得到：即將l/C2對V作微分，重新整理可得雜質(zhì)的分布對于均勻摻雜情況，即ND為定值，則1/C2對V作圖可得一直線，且1/C2=0的截距即為內(nèi)建電勢Vbi一旦Vbi已知，則勢壘高度由下式求得金屬-半導體接觸例1：求出如圖所示鎢-硅二極管的施主濃度與勢壘高度。解：由圖得因為截距為0.42V，因此勢壘高度為金屬-半導體接觸指一具有大的勢壘高度(即?Bn或?Bp>>kT)，以及摻雜濃度比導帶或價帶的態(tài)密度低的金屬-
5、半導體接觸。電流的傳導機制與p-n結不同，主要傳導機制是半導體中多數(shù)載流子的熱電子發(fā)射越過電勢勢壘而進入金屬中。肖特基勢壘金屬-半導體接觸熱平衡時電流密度由兩個大小相等、但方向相反的載流子流組成，因此凈電流為零。半導體中的電子傾向于流入金屬中，并有一反向的平衡電子流由金屬進入半導體中，其大小與邊界的電子濃度成正比。金屬-半導體接觸正向偏壓時跨越勢壘的靜電勢差降低，因此表面的電子濃度增加由電子流出半導體所產(chǎn)生的電流Js→m也因此以同樣的因數(shù)增大金屬-半導體接觸因勢壘?Bn維持與平衡時相同，由金屬流向半導體的電子
6、流量維持不變正向偏壓下的凈電流為：反向偏壓的凈電流的表示式與上式相同，只是其中的VF被替換成-VR系數(shù)C1NC=A*T2．A*的值視有效質(zhì)量而定，對n型與p型硅而言，其值分別為110和32，而對n型與p型砷化鎵而言，其值分別為8和74。金屬-半導體接觸其中Js為飽和電流密度，而外加電壓V在正向偏壓的情況下為正，反向偏壓時則為負。由肖持基二極管實驗所得的I-V特性。將正向I-V曲線延伸至V=0，可以獲得Js，由上式即可求得勢壘高度。金屬與n型半導體接觸也存有少數(shù)載流子(空穴)電流，它是由金屬中的空穴注入半導體所
7、產(chǎn)生。空穴的注入與p+-n結的情況相同。其電流密度為在正常工作情況下，少數(shù)載流子電流大小比多數(shù)載流子電流少了幾個數(shù)量級。因此，肖特基二極管被視為單極性器件，亦即主要由一種載流子來主導導通的過程。金屬-半導體接觸肖特基二極管被視為單極性器件的原因例2：對ND=1016cm-3的鎢-硅肖特基二極管而言，請由下圖求出勢壘高度與耗盡區(qū)寬度。假設硅中少數(shù)載流子的壽命為10-6s，比較飽和電流Js與Jpo。解：由圖可得Js=6.5×10-5A/cm2，因此勢壘高度可由得到：內(nèi)建電勢為?Bn-Vn，其中因此金屬-半導體接觸
8、當V=0時，熱平衡時的耗盡區(qū)寬度為為了計算少數(shù)載流子電流密度Jpo，須知道Dp，對濃度ND=1016cm-3而言，其值為10cm2/s，而兩電流密度間的比為比較可見，多數(shù)載流子電流是少數(shù)載流子電流的7次方倍。因此金屬-半導體接觸當金屬-半導體接觸的接觸電阻相對于半導體主體或串聯(lián)電阻可以忽略不計時，則可被定義為歐姆接觸。歐姆接觸的一個指標為比接觸電阻Rc，其定義為低摻雜濃度的金屬-半導體接觸，熱電子發(fā)
