电子信息物理学410

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1、第四章 半导体器件原理 固态电子迁移特性的主要应用体现在固态器件，主要是半导体器件和集成电路方面。半导体器件和集成电路是电子工业、自动控制、光电信息和计算技术的核心。尽管半导体器件和集成电路种类繁多，绝大多数据件均包含pn结，至少以pn结为基础，如整流器、放大器、开关电路和许多其他电子电路的功能。 本章将重点讨论pn结，在概括pn结的整流、电容和击穿三大特性的基础上，讨论一些常用的半导体二极管和三极管的基本原理和特性，最后介绍金属和半导体接触的特性 4.1 pn结特性概述 若在半导体中存在p型区和n型区，其交界处附近形成pn结。实际制备pn结是在一块p型(或n型)半导体单晶上，用适当工艺方法，

2、如合金法、扩散法、外延法，或离子注入法等，掺入n型(或p型)杂质，在交界处形成Pn结。不同工艺可形成不同的杂质分布，因而有突变结和单边突变结、缓变结、线性缓变结等。本节将讨论pn结的三大特性整流特性、电容特性和击穿特性。4.1.1 平衡 pn结(1)pn结和平衡 pn结的概念l pn结：由单晶半导体上相邻两个区（p型区和 n型区)的交界面附近的过渡区构成n区掺施主杂质，浓度ND ，提供导带电子p区掺受主杂质，浓度NA ，提供价带空穴空穴从p区向n区扩散电子从n区向p区扩散同质结：以两种相同的半导体单晶体材料为基础异质结：以两种不同的半导体单晶体材料为基础pn结： 在导电类型相反的半导体单晶体材

3、料交界处形成高低结：在导电类型相同的半导体单晶体材料交界处形成n区：（导带）电子多， （价带）空穴少 载流子带负电 施主离子带正电p区： （价带）空穴多，（导带）电子少 载流子带正电 施主离子带负电电中性电中性电子多， 空穴少 空穴多，电子少 n区 p区 n区 p区载流子浓度差动态平衡阻止进一步扩散，形成并增强相反方向的漂移运动电子从n区向p区扩散空穴从p区向n区扩散结n区侧聚集正离子结p区侧聚集负离子正空间电荷区负空间电荷区l平衡PN结扩散与漂移的动态平衡空间电荷区导致内建电场，热平衡，无外场不产生净电流空间电荷区的正负电荷分离，内建电场，“耗尽”了可动的载流子，空间电荷区也称耗尽区同质 p

4、n结能带本征半导体 n型半导体 p型半导体电子从高EF 区流向低EF 区（从n区向p区运动）空穴从低EF 区流向高EF 区（从p区向n区运动） 结合 热平衡， 统一的EF pn结横坐标为空间位置 p区 n区纵坐标为电子能量(2)内建势垒 如果pn结上不加电压，处于热平衡态，则p区和n区共同构成的整个系统内费米能级恒定，能带因上为水平线，见书p72图413所示。导带和价带因此在穿过空间电荷区时必然弯曲，这样才能保持Ec和Ev对EF改变后的相对位置。现在n区的导带电子要想进入p区导带遇到了势垒，这一势垒称为内建电位VD。从静电学看，n区电位比P区高出VD，有时称为接触电位差。由于能带表示的是电子能

5、量，因此P区能带相对n区能带整个向上移动eVD。若设p区和n区原先费米能级为EFP和EFN，平衡态pn结的统一费米能级EF，则图上可知 n区导带电子浓度与p区价带空穴浓度：FpeFneeVDFFiEnEFne区）(FFiEEFpe区）p()exp(TkEENnBFiCci本征半导体)(exp(0TkEENnBFCc)exp(0TkEEnnBFiFiiFiEE同理n区导带电子电位量：p区价带空穴电位量：接触电位差：室温热电压为VT 0.026V(3)内电场(3)内电场 正负空间电荷的分离，在空间电荷区(因“耗尽”可动载流子而得名耗尽区)内产生了电场。图(a)为突变结内体电荷密度的分布。并认为n区

6、内体电荷密度xxn处终止，p区在x一xp处终止。由图(a)有： AeNx0 xxp DeNx nxx 0 而空间电荷区的各物理量用泊松（Poisson）方程（4.1.4）积分（4.1.4）并利用边界条件可得)(psAxxeNE0 xxp)(xxeNEnsDnxx 0)(psAxxeNE0 xxp)(xxeNEnsDnxx 0一般PN结在不存在表面电荷的条件下，电场在冶金结x0连续，由上面两个式子有：nDpAxNxN对电场表达式)(psAxxeNE0 xxp)(xxeNEnsDnxx 0积分可得接触电位差，见书p74的式（4.1.11）和（4.1.13）。并由此可以得对应点的电位差（4）空间电荷

7、层宽度 实际中，用扩散法等制得的pn结往往与此种典型情况不同。用杂质分布函数代人伯松方程可求解实际pn结的电场电位和结宽。现在通常用计算机进行数值计算并作出相应曲线。4.1.2 整流特性(1)边界条件： pn结的电流一电压特性具有单向导电的整流效应，为便于分析，先讨论边界条件和少子分布。pn结电流一电压特性将在以下三个假定基础上推导出来：a使用突变耗尽层近似，空间电荷区有阶跃边界，耗尽区外的半导体是电中性的。 b对载流子统计分布近似用玻尔兹曼分布。 c使用小注入载流子概念，认为pn结内部电流是恒定的，无论电子电流还是空穴电流都是连续的，它们在耗尽区内也是恒定的。n区导带电子浓度较大，但内建势垒

8、阻止大电流密度流入p区，达到平衡：)exp(2TkeVNNnBDDAin区多子（电子）浓度（完全电离）：p区多子（空穴）浓度（完全电离）：ApNp0p区少子（电子）浓度：)exp(/0002TkeVnpnnBDnpip此式为一个p区少子（电子）浓度与n区多子（电子）浓度的关系表达式1.正向电压作用（pn结少子正向注入）正向电压V=Va0势垒区内，载流子浓度小、电阻大势垒区外，载流子浓度大、电阻小电压基本降落在势垒区势垒区xD变窄、e（ VD Va）变低漂移运动扩散运动漂移运动破坏无偏压时 的动态平衡净扩散流，少子正向注入xpxn 电子空穴电子从n区流向p区xp处（少子）电子积累电子向p区内部扩

9、散空穴从p区流向n区xn处（少子）空穴积累空穴向n区内部扩散正向电压V=Va0P区空穴（多子）向pn结漂移n区电子（多子）向pn结漂移复合复合电子0电子扩散区空穴0空穴扩散区正负电荷区空穴扩散区电子扩散区P区中性区n区中性区电子扩散区p区（少子）电子流转变为（多子）空穴电流空穴扩散区n区（少子）空穴流转变为（多子）电子电流P区n区势垒较窄较低势垒区载流子浓度变化很小通过pn结任一截面的总电流密度相等J=J0 复合电流连续性原理总电流密度：)()(0nppnxJxJJJ电流密度pnJnJpJnJp-xpxnx0)()(nppnTotalxJxJJ)(pnxJ)(npxJ总电流密度：)()(0np

10、pnxJxJJJ求解连续性方程P区结边缘少子（电子）电流密度：n区结边缘少子（空穴）电流密度：理想二极管方程：反向饱和电流密度：实际的pn结，正偏Va时，有一定的正向导通电压禁带宽度Eg正向导通电压室温T=300K，,026. 0evTkB1)exp(实际的pn结，还需要修正，例如p+n ,1m22. 反向电压作用（pn结少子反向抽取）反向电压VVR0势垒区变宽xd变高e（ VD VR ）漂移运动扩散运动漂移运动净漂移电流反向电压VVR0V势垒宽度空间电荷（不能移动的正负杂质离子部分被载流子中和）载流子“存入”势垒区V势垒宽度空间电荷（增加不能移动的正负杂质离子）载流子从势垒区“取出”单位面积

11、的势垒电容：DrBXC0DADArDDNNNNeVVX02)(势垒宽度：0,r分别为相对介电常数和真空介电常数DrBXC0DADArDDNNNNeVVX02)(正向：VDXBC反向：VDXBC2. 扩散电容正偏电压，少子正向注入扩散区有少子与等量的多子积累单位面积的扩散电容：DC)exp()(002TkeVTkLPLneCBBpnnpDVDC对信号处理的影响势垒电容与扩散电容之和为PN结的结电容Cj反偏的pn结以势垒电容起主要作用，而正偏pn结，扩散电容和势垒电容都起作用.实际工作中，为简单起见，常以零偏时的势垒电容的4倍作为正偏的pn结的总电容。 低 频：结电容Cj作用忽略不计高 频：信号频

12、率较高时必须考虑结电容的作用 4.1.4 击穿特性反偏电压V增加到VB （击穿电压）反向电流激烈增大，pn结击穿；击穿分类：隧道击穿（齐纳击穿）、雪崩击穿、热电击穿1.隧道击穿（在掺杂浓度很高的pn结中的击穿）高反偏电压强电场：FDtotalEEE势垒变薄隧道效应：p侧价带内电子横穿禁带，直接进入n侧导带内，形成反向电流2. 雪崩击穿高反偏电压少子扩散到势垒区少子在势垒区中高速漂移少子从电场中获得足够的能量与耗尽区内晶格原子的电子发生碰撞产生许多电子空穴对（二次电子空穴对）二次电子空穴对继续漂移、碰撞新的二次电子空穴对倍增效应pn结击穿3. 热电击穿高反偏电压VR损耗功率热能结温平衡少子浓度J

13、S热电击穿4.2 pn结二极管常见的pn结二极管变容二极管开关二极管雪崩二极管隧道二极管二极管结电容特性：扩散电容（正偏：损耗电导）势垒电容（常用反偏、零偏：变容二极管）4.2.1变容二极管 变容二极管的表达式一般为：,)(sDBVVC1)2( msm0，为均匀掺杂结；m1，为线性缓变结；m2、 3为重掺杂n+ 基片上外延低杂质浓度n层；m是负值，为超突变结反偏电压VVR,)(sDBVVC1)2( ms变容二极管的电抗以可控方式随偏压变化，如果变容二极管并联电感，则LC电路的谐振频率为：变容二极管：,)(212sRDBrVVLCfm3/2s=22)(sRDrVVf)(RDrVVf超突变结与反偏

14、电压正反比常用Si晶体作为变容二极管材料外延生长或离子注入制作超突变结4.2.2 开关二极管pn结电子开关： pn结导通（on）、不导通（off）p+n（p区重掺杂）二极管正偏压正向电流If )0( tpn结n区一侧边界（ xn ）少子空穴积累pn结突然从正偏变到 负偏压（t0）远远高于平衡浓度的少子（空穴）从n区进入p区反向电流较大（ IR ），并保持一段时间tS （存储时间）积累的空穴复合消耗掉后，反向饱和电流（ IS ），下降时间为tf 开关二极管的反向恢复时间为：2tttSr4.2.3 隧道二极管p+n+ （重掺杂）二极管， EF进入允带,势垒很薄隧道效应重掺杂：简并半导体重掺杂：使耗

15、尽区宽度变得很窄，使隧道距离很小（约510nm）（a）（c）（b）（d）隧道效应：n区导带电子进入p区价带，产生正向隧道电流隧道效应：p区价带电子进入n区导带，产生反向隧道电流隧道效应：n区导带电子进入p区价带，产生正向隧道电流。但价带顶介于n区导带底和EF之间只有热电流，没有隧道效应产生的隧道电流隧道二极管以多子隧道效应工作的，多子浓度的起伏和随时间的变化均较小，又由于隧道穿透是一个量子效应，不受电子渡越时间限制，因此器件具有低噪声、高频，工作温度范围大的特点，在微波放大、本地振荡、锁频技术、高速开关等电路中有重要应用。4.2.4 雪崩二极管(自学) pn结雪崩效应 载流子渡越效应雪崩二极管

16、崩越二极管俘获二极管崩越二极管：n+ pi p+型理德（Read）二极管i代表高阻层，p型材料高阻层为 层，n型材料高阻层为v层高反偏电压n+ p结雪崩击穿（雪崩区）雪崩载流子形成雪崩区电流次强电场（漂移区）p区很薄，漂移区主要是i区空穴以饱和速度漂移运动，由p+区收集，形成外电流应用：应用：利用PN结血崩和载流子的度越等效应可以构成微波振荡器件器件优点：具有较大的输出功率,可以达到数瓦器件缺点：血崩过程产生较大的噪声4.3 双极性晶体管4.3.1 晶体管德基本结构和工作原理三个独立的掺杂区和两个pn结（互相影响，背靠背）晶体管：有源三端器件电子、空穴两种载流子电流双极型基本工作原理在模电中有

17、介绍4.3.2 晶体管的放大作用共基极npn晶体管同模电4.3.7 晶体管噪声晶体管放大器的主要噪声：外界：输入、感应、耦合、等方式引进的噪声晶体管本身：o热噪声：载流子无规则的热运动引起电流起伏（温 度愈高，热噪声也愈大）o散粒噪声：载流子数目将在平均值附近起伏o低频1/f噪声：表面能级、晶格缺陷、位错和晶体不 均匀性 噪声系数：F输入信噪比/输出信噪比金属半导体（简称金半或M-S）接触:整流器、监测器、二极管、场效应管、太阳能电池、半导体集成器件电极4.4.1 理想肖特基势垒理想肖特基势垒表面外真空中电子势能（真空能级）E 0: 固体中的电子刚刚能够脱离固体。发射到真空中的电子能量（真空能

18、级连续）电子亲和势（electron affinity） ：真空能级与半导体导带底之差（始终不变） E 0 E C 半导体功函数半导体功函数：功函数是指真空电子能级E0与半导体的费米能级EF之差。影响功函数的因素是掺杂浓度、温度和半导体的电子亲和势。接触势则是指两种不同的材料由于接触而产生的接触电势差。 金属功函数金属功函数：电子从金属中逸出到表面外的真空中去许需要的最少能量mE 0 E Fm （金属E Fm以上为空态、 E Fm以下充满电子）E FmE 0m sE Fs E Fm 电子从半导体流向金属金属表面负离子 半导体表面正离子eVDm 内建势垒eVD内建势垒基本降落在半导体表面eVD

19、m s阻止半导体中电子继续流向金属达到平衡统一的费米能级半导体能带向上弯曲表面势垒（n型阻挡层，高阻层）金属一侧的势垒eVDm= eVD (E C E Fs) m 见p100图4.4.1（a）可知 s E C E Fsm s热平衡态，统一费米能级半导体能带向上弯曲表面n型阻挡层半导体一侧的势垒：eVD m s金属一侧的势垒eVDm （肖特基势垒高度：金属上的电子进入半导体导带所需的能量）eVD m seVDm eVDmeVD (E C E Fs)= m = E 0 E Cm s影响其势垒高度的因素两种材料的功函数，影响其势垒厚度的因素材料（杂质浓度等）外加电压势垒宽度的表达式为Eg：某Shot

20、tky二极管，半导体材料的相对介电常数为11.9，施主浓度为2.51016cm-3，势垒高度为0.64eV，加上4V的正向电压时，试求势垒的宽度为多少？ mqNVVxDDrD31619120102 . 4105 . 2106 . 164. 0410854. 89 .1122s mE Fm E Fs 电子从金属流向半导体半导体能带向下弯曲电子积累层高电导层n型反阻挡层p型半导体与金属接触类似m s能带向上弯曲p型反阻挡层形成反阻挡层的条件形成反阻挡层的条件是是s m, ,其接触后其接触后的能带图如图所示：的能带图如图所示：形成反阻挡层的条件是形成反阻挡层的条件是m s, ,其接触后的能其接触后的

21、能带图如图所示：带图如图所示：s m能带向下弯曲p型阻挡层 形成阻挡层的条形成阻挡层的条件是件是s m, ,其接其接触后的能带图如图触后的能带图如图所示：所示：4.4.2 表面态和界面层对接触势垒的影响理想肖特基模型与试验结果不符合：模型：肖特基模型的势垒高度由金属和半导体的功函数决定试验：90%的金属同半导体接触的势垒高度与金属功函数无 关， 只和所用半导体的种类有关巴丁势垒模型（1947）：理想半导体表面（n型半导体）原子周期性排列中断出现半饱和的悬挂键、一些电子能量状态表面能级（界面态） 补充补充基本定义：基本定义：达姆指出晶体自由表面的存在使晶体的周期性势场在表面中断，从而引起附加能级

22、，这种能级称为达姆表面能级。在晶体表面不附着氧化层或其它任何分子的所谓理想表面情况下，对晶体表面求解薛定谔方程，结果表明电子被局限在表面附近，这种电子状态称作表面态，对应的能级称为表面能级，每个表面原子对应禁带中一个表面能级。 表面态的性质：表面态的性质：从晶体结构看，由于晶格在表面终止，表面上的每个硅原子都有一个称为悬挂键的未饱和键，对应的电子状态就是表面态，如图5.1和图5.2所示。 图5.1 表面处原子排列终止图 图5.2 清洁表面的表面能级原子面密度为1015cm-2量级，悬挂键面密度(即表面态密度)也应该是1015cm-2量级。理想表面并不存在。受环境影响表面可能有物理吸附层或与之接

23、触过的物质留下的痕迹，或是生成氧化物或其它化合物。如果Si表面生长SiO2，表面大量悬挂键被氧原子饱和，表面态密度大为降低，实验测得的表面态密度常在10101012cm-2之间，比理论值低很多。 表面态的分类：表面态的分类：表面态能够与体内交换电子和空穴。通常将空态时呈中性而电子占据后带负电的表面态称为受主型表面态；而将空态时带正电而被电子占据后呈中性的表面态称为施主型表面态。根据表面态与体内交换电子所需时间不同又分为快态和慢态。快态与体内交换电子在毫秒或更短的时间内完成，慢态需要毫秒以上直至数小时或更长。一般那些位于Si-SiO2界面上的电子状态为“快态”，当外界作用导致Si体内电子分布发生

24、变化时，快态能与体内状态快速交换电子，表面态中的电子占据情况随之很快变化。与此对应，半导体表面还有一种“慢态”，慢态处于厚度为零点几纳米到几纳米的Si表面天然氧化层外表面上，也就是处于氧化层-空气界面上，也可能来自Si-SiO2界面附近的缺陷或位于禁带中的杂质能级。慢态与体内交换电子时必须通过氧化层，因此就比较困难，时间可能很长。半导体表面的界面态：E0ECEFnEFs界面态费米能级Ev表面电中性EFs界面态费米能级表面带正电EFs界面态费米能级N型半导体表面带负电EFs界面态费米能级p型半导体金属与n型半导体接触：1. n型半导体表面n型半导体表面（电中性），表面态能级密度高EFs E Fm

25、电子从表面能级流向金属表面态密度很高金属费米能级上升到表面态费米能级金属一侧的势垒高度：eVDm E C E Fs与金属的功函数m无关M-S接触势垒高度的“锁定”半导体费米能级下降到表面态费米能级M-S接触费米能级的“钉扎”效应n型表面费米能级：价带以上E g/3p型表面费米能级：价带以上2E g/3真空能级E 0连续（一般性）电子亲和势始终不变 E 0 E C （一般性）费米能级的“钉扎”效应： n型费米能级：价带以上E g/3（特殊性） p型费米能级：价带以上2E g/3（特殊性）4.4.3 肖特基势垒的I-V特性v金属与金属与n型半导体接触型半导体接触正向偏压产生电流，载流子构成如下导带

26、电子越过势垒进入金属导带电子通过隧道效应进入金属（能量低于势垒顶的电子有一定几率穿过势垒，这种效应就是隧道效应。隧道穿透的几率与电子的能量和势垒厚度有关 ）空间电荷区与空穴复合中性区与空穴复合实际的肖特基二极管主要由第一种电流构成的，其他的三种作为理想情况偏离的修正（a）无偏压：热平衡时，金属与 n型半导体的费米能级拉平（b）加正偏压：正向偏压VFVF上升半导体一侧势垒下降正向电流密度上升（c）加反偏压：反向偏压VRVR上升半导体一侧势垒增加，电子从金属流向半导体，但越过的势垒几乎不随偏压变化反向饱和电流密度反向电流密度几乎不随VR变化4.4.4 肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管与Pn结二极管

27、的I-V特性相似：Pn结二极管方程：Pn结的反向饱和电流密度：肖特基势垒二极管方程肖特基的反向饱和电流密度为有效理查常数肖特基势垒二极管与Pn结二极管的特性差异：微观肖特基势垒二极管为多子扩散（微观机理）Pn结二极管为少子的注入和扩散（微观机理）宏观：1)反向饱和电流密度特性： 肖特基势垒二极管的反向饱和电流密度(10-5A/cm2 ) pn结二极管(10-11A/cm2 ) 2)开关特性： 肖特基势垒二极管是多子器件，正向偏置时没有扩散电容（高频特性好，开关时间短ps，pn结为ns）3）导通电压： 肖特基势垒二极管的导通电压比pn结二极管低肖特基势垒二极管的主要应用：利用肖特基势垒二极管的正

28、向电流电压非线性： 肖特基变阻管、检波器、混频器利用肖特基势垒二极管的反向电流电压特性： 肖特基变容管利用肖特基势垒二极管的正向低导通特性： 箝位晶体管利用肖特基势垒二极管的反偏势垒特性： 光电二极管和雪崩二极管的光电探测器件利用肖特基势垒二极管的势垒： 肖特基场效应管4.4.5 欧姆接触欧姆接触欧姆接触是指其电流-电压特性满足欧姆定律的金属与半导体接触。金属与重掺杂半导体的金半接触欧姆接触，有接触电阻（由势垒高度、掺杂浓度决定）任何半导体或者集成电路要与外界接触欧姆接触十分重要欧姆接触分类：欧姆接触分类：非整流势垒接触型隧道势垒接触型形成欧姆接触的常用方法形成欧姆接触的常用方法金属与p型半导

29、体接触构成反阻挡层。金属与重掺杂n型半导体形成能产生隧道效应的薄势垒层，1. 非整流势垒接触型金属n型半导体接触：s m时形成的非整流结结处于热平衡，结两边电子可以顺利交换（低电阻）金属加正压：金属加负压：在外电场作用下，也不起整流作用金属p型半导体接触，热平衡时的能带图：多数重要的半导体（如Si、Ge、GaAs）有很大的表面态密度严重屏蔽了金属功函数的作用选择适当的金属材料很困难2. 非整流势垒接触型：隧道势垒接触型金属半导体接触形成势垒半导体重掺杂势垒宽度大幅度下降结两边等价交换电子，形成隧道电流隧道效应欧姆接触由上述可知当金属和半导体接触接触时，如果对半导体的掺杂很高，将会使得势垒区的宽

30、度变得很薄，势垒区近似为透明，当隧道电流占主要地位时，其接触电阻很小，金属与半导体接触近似为欧姆接触。加上正、反向电压时的能带图如下图所示：4.5场效应晶体管场效应晶体管 掺杂半导体电场表面势变化、电阻率变化与电场垂直方向的电流变化 场效应：垂直的电场控制半导体的导电能力v场效应晶体管（场效应晶体管（FET：Field Effect Transistor）分类）分类结型场效应晶体管JFET(Junction type FET)绝缘栅场效应晶体管IGFET:主要是以SiO2做栅极绝缘物的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor FET)肖特基势

31、垒栅场效应晶体管MESFET(Metal-Semiconductor FET)4.5.1结型场效应晶体管结型场效应晶体管 源极S：接地 栅极G：上下栅外部相连，加控制电压VGS 漏极D：电压VDS 输出电流ID n 沟道:通电流图1（a）JFET结构示意图图1（b）JFET中心部分截面图栅结反偏VGS0源极接地VDS=0 栅结反偏 程度增加 两个p+n栅结上的反向偏压增加耗尽层宽度增加n 沟道宽度变窄n 沟道电阻增加n 沟道导电能力下降v栅结电压对导电能力的调制栅结电压对导电能力的调制JFET中心部分截面图 漏极正偏漏极正偏VDS0电子从源极S沿n沟道流向漏极D，形成漏极电流ID 栅结反偏程度

32、 增加 漏极电流ID下降沿n沟道产生压降从S到D，p+n栅结的反向偏压增加 从S到D，耗尽层宽度增加 从S到D，n沟道宽度变窄从S到D，n沟道电阻增加，n沟道导电能力下降 v漏极电压对导电能力的影响漏极电压对导电能力的影响图2 漏极电压与导电沟道的关系图 漏极漏极D正偏正偏VDS0 从S到D，n沟道电阻增加，n沟道导电能力下降 VDS增加 到VDSO（饱和电压） 沟道被夹断（沟道宽度为0） VDS继续增加夹断处从D侧向S侧移动 ID随VDS变化缓慢：IDIDO VDS增加 到VDSa（击穿电压）击穿：ID随VDS急剧增加图3. JFET的沟道夹断v 输出特性曲线漏极输出特性曲线漏极D正偏正偏V

33、DS0 VDS VDSOID与VDS接近线性变化 （线性区） VDSO VDSVDSaID基本不变化 （饱和区） VDSVdsaID随VDS急剧增加 （雪崩区）图4. n沟道JFET的输出特性4.5.2金属氧化物半导体场效应晶体管金属氧化物半导体场效应晶体管 绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管IGFET:以氧化物作为绝缘层的IGFET，就是金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET图5. MOS电容器的基本结构v控制栅的电压与控制栅的电压与MOSFET的工作的工作 栅极栅极G不加电压不加电压 热平衡时的能带图MISVG =0VG =0EFm 图6. 热平衡时的能带图栅极上外加电压VG 绝缘层隔

34、离 绝缘体电场，没有电流流通 半导体表面空间电荷区 半导体处于热平衡状态 EFS不变，金属Efm移动eVG 表面能带产生弯曲 VG 0半导体表面EV 更接近EFS表面空穴（多子 ）积累图7 栅极上外加电压VG0能带图和电荷分布 栅极上外加电压栅极上外加电压VG 0 0栅极电压VG 0 小电压半导体表面EV远离EFS 表面空穴（多子 ）耗尽图8 栅极上外加电压VG 0能带图和电荷分布 栅极上外加电压栅极上外加电压VG 0 0栅极电压VG 0 大电压半导体表面EV更远离EFS 半导体表面EC更接近EFS 表面空穴（多子 ）耗尽 表面电子（少子 ）积累 形成反型层（n型表面） 图9 栅极上外加电压V

35、G 0能带图和电荷分布 栅极上外加电压栅极上外加电压VG 0 0注意注意：由n型半导体构成的理想MOS结构的能带图和电荷分布与型半导体构成的可以作类似分析，所形成的图如下图10 n型半导体构成的理想MOS结构的能带图和电荷分布vMOSFET基本工作原理基本工作原理 栅极栅极G不加电压不加电压VGS =0 实际为两个背靠背的pn+结 图11 VGS =0的MOSFET 栅极小电压栅极小电压0 VGS VT p 型半导体表面耗尽，形成表面耗尽层多子耗尽层耗尽区图12 0 VGS VT的MOSFET 栅极大电压栅极大电压 VGS VT （反型阀值电压）（反型阀值电压） 表面反型，源区与漏区两个n+

36、区连接了起来 在漏极正电压的作用下，电子从源区流向漏区 形成n 沟道，改变栅压可以调制沟道电导的大小n 沟道增强型沟道增强型MOSFET的输出特性曲线的输出特性曲线漏极D正偏VDS0 VDSVGS-VT0: ID与VDS接近线性变化（线性区） VGS-VT VDS VDSa : 沟道被夹断, ID基本不变化（饱和区） VDS VDSa : ID随VDS急剧增加（雪崩区） 实际半导体的表面氧化层SiO2层中带正电荷（等效栅极电压）金属和半导体功函数差栅压VGS=0时，半导体表面已经形成了反型沟道漏极加正电压就有漏电电流流过沟道区 n 沟道耗尽型MOSFET增强型 n 沟道MOSFET则在栅压为零

37、时没有导电沟道，只有当VGS VT 才能形成导电沟道p 沟道MOSFET(增强型和耗尽型)与n 沟道的结构类似： n 型Si为衬底制作两个p+区依靠负栅压使n 型反型以空穴导电、漏极接负电压4.5.3 肖特基势垒栅场效应晶体管MESFET 肖特基势垒取代JFET的pn结势垒，形成肖特基势垒栅场效应管 不需要绝缘层和pn结 可以采用电子迁移率很高的材料（如：GaAs、InP） n 沟道MESFET 肖特基势垒栅场效应管兼有JFET和MOSFET的优点： 器件制作类似MOSFET 电学性质类似JFET 避免表面态的影响 电子迁移率很高 特点：高频（微波）、低噪声、较高的功率 实际MESFET的栅长

38、为微米数量级，出现强场效应，在沟道尚未夹断前，电子数度已经达到饱和漂移数度 GaAs-MESFET，结构简单、制造过程少，因此寄生电容小，噪声系数低，而且噪声频率变化趋势比双极型晶体管慢得多 较高的功率增益v场效应晶体管（场效应晶体管（FET）: 栅电压调制沟道电导，从而调制沟道电流 JFET：pn结，npn为p沟道、pnp为n沟道 MOSFET：MOS结， npn为n沟道、pnp为p沟道 MESFET：肖特基结4.6 异质结及其器件异质结及其器件4.6.1 异质结的材料两种不同半导体接触形成异质结同型（高低）异质结（ pP异质结、nN异质结 ）异型（反型）异质结（ pN异质结、Pn异质结 ）

39、单晶材料不同禁带宽度、介电常数、晶格常数、热膨胀系数不同晶格失配率：)(22121aaaa异质结界面形成悬挂键和界面态构成异质结的两种材料的晶格常数要匹配：21aa Ge和GaAs的晶格常数失配率约为0.13% GaAs 和AlGaAs的晶格常数失配率约0.14% 4.6.2 异质结的能带结构异质结：窄能带隙材料（p或n）与宽能带隙材料（P或N）：pN异质结、Pn异质结、nN异质结、pP异质结宽带隙包纳窄带隙宽带隙与窄带隙交替错开宽带隙与窄带隙完全错开4.6.3 异质结特性理想pN异质结热平衡能带图热平衡态，统一的费米能级真空能级E 0连续电子亲和势始终不变耗尽层部分能级弯曲中性区（N区、p区

40、）能级不弯曲N区能级向下平移eVD2p区能级向上平移eVD1eVDeVD1 eVD221DDDeVeVeV21CE)(1122ggvEEE)(12gggEEECgEE)()(2112ggEE2112FFEE理想n-P异质结热平衡能带图内建电位为：据左图可得：pnCE)(gnngppvEEE)(gngpgEEECgEE)()(pngngpEE界面态对能带的影响：晶格常数不同即使在某温度时晶格常数相同热膨胀系数不同温度变化使晶格常数不相同引起晶格失配：)(22121aaaa晶格常数小的半导体材料界面产生悬挂键（不饱和价键）在界面两侧形成载流子势垒：受主型界面态：电子势垒施主型界面态：空穴势垒在界面

41、两侧形成载流子势垒：受主型界面态：电子势垒施主型界面态：空穴势垒能带弯曲4.6.4 异质结的电流输运机构突变异型异质结的电流输运机构扩散模型：假定载流子以扩散运动方式通过势垒用同质pn结中肖克莱理论发射模型：假定足够的热运动载流子克服势垒，从界面的一侧进入另一侧用肖特基势垒热电子发射理论发射复合模型：假定热运动导致载流子越过界面界面态电子与空穴在界面态复合，形成界面态电流隧道模型：假定势垒尖峰的厚度很小，电子可以穿透隧道形成隧道电流隧道复合模型：界面复合效应、隧道复合效应 实际异质结电流输运很复杂，是多种电流机构的组合pN加上正偏压时的能带（忽略能带尖峰）：无偏压，热平衡加正偏压正偏压很大，超注入偏压V1很大窄带区Egp的少数载流子（电子）浓度大于宽带区Egn的多数载流子（电子）浓度肖克莱方程：21pnJJJ总电流：电子电流密度：空穴电流密度：电子注入比：00nnpppnPnpLDnLDJJ对同质结电子注入比：NDNA对异质结电子注入比正比于：对异质结电子注入比正比于可知其特点之一为高电子注入比l晶体管：高电流放大倍数l半导体激光器：高注入效率、低阈值电流密度