半导体器件物理2008-杜刚 第三章

半导体器件物理 第三章 化合物半导体器件 半导体器件物理 场效应晶体管概述 Field effect transistor FET 器件中的电流 半导体中载流子的运动 扩散 漂移 Je N v 半导体器件物理 双极型器件 pn结二极管 双极晶体 管 两种载流子都对电流有重要贡献 分析电流主要从中性区少数载流子分布入 手 主要分析少数载流子扩散电流 FET器件 主要是多数载流子对电流有重要贡献 分析电流主要从多数载流子在电场下的漂移 运动入手 半导体器件物理 场效应晶体管类型 JFET结型场效应晶体管 MESFET肖特基栅场效应晶体管肖特基栅场效应晶体管 HEMT高电子迁移率晶体管高电子迁移率晶体管 MOSFET 半导体器件物理 场效应晶体管 FET 基本工作原理 为三端或四端器件 栅 G 源 S 漏 D 衬 B 栅极为控制极 通过电场效应控制栅下能参与输运 的载流子数量 源漏电压形成的电场使得栅下的载流子发生漂移运 动形成电流 半导体器件物理 FET的转移特性 半导体器件物理 FET的输出特性 半导体器件物理 FET中的基本功能模块 PN结 MS结构 MOS结构 异质结 半导体器件物理 3 1肖特基势垒和欧姆接触 一 肖特基势垒 金属半导体接 触 在接触界 面附近形成的 势垒 理想情形 半导体器件物理 势垒高度 半导体自建电压 半导体表面耗尽 区宽度 半导体内单位面 积空间电荷 单位面积耗尽层 电容 Bnm qqq bimsBn VV bin V 2 s bi D WV qN SCD QqN W V s C W 半导体器件物理 一般情形 金属与半导 体之间有原 子尺度的界 面层 界面有大量 界面态 半导体器件物理 界面态电荷面密度QSS 界面态密度Ds 与能量无关 半导体表面耗尽层电荷密度QSC 界面层电势降落 0 qqEqDQ BngSSS 22 nBnDSbiDSSC VNqVNqQ i M Q Bnm 半导体器件物理 势垒高度的一般表达式 i S g mBn CC q E CC 21011 1 Si i Dq C 2 1 S biDV qN C 2 2 界面态密度很 少 界面态密度很 少 C1 1 Bnm 由功函数和亲和势决定由功函数和亲和势决定由功函数和亲和势决定由功函数和亲和势决定 Ds 0 界面态密度很 多 界面态密度很 多 s DC1 0 由界面态决定由界面态决定由界面态决定由界面态决定 g B no E q 费米能级的钉扎费米能级的钉扎 半导体器件物理 xx image charge metal electron semiconductor Image force F 肖特基效应肖特基效应 2 0 2 2 0 2 16 2 4x q x q F SiSi Image force 感生的镜像力 使势垒降低 感生的镜像力 使势垒降低 1 肖特基效应 肖特基效应 半导体器件物理 2 势垒的降低 势垒的降低 s qE 4 E e x Si m 0 16 半导体器件物理 I V characteristics of the simulated Schottky barrier diode for barrier height 0 41V and 0 65V respectively Voltage V 8 6 4 20 0 2 4 Current A m2 1e 2 1e 1 1e 0 1e 1 1e 2 1e 3 1e 4 1e 5 1e 6 1e 7 1e 8 BN 0 41V MC with SE BN 0 41V MC without SE 0 41V theortical with SE BN 0 65 MC without SE BN 0 65V MC with SE BN 0 65V theortical with SE Xm Angstrom Square root of electric field V m 1 2 1000150020002500 Schottky barrier Lowering mV 10 20 30 40 50 60 70 10 20 30 40 50 60 70 The simulated barrier lowering and xmas a function of the applied electric field 肖特基效应对肖特基二极管肖特基效应对肖特基二极管I V特性影响的模拟结果特性影响的模拟结果 半导体器件物理 半导体表面耗尽区宽度 掺杂浓度掺杂浓度 ND 耗尽层厚度耗尽层厚度 W 2 s bi D WVV qN 半导体器件物理 二 肖特基势垒二极管 正向偏置时 正向偏置时 反向偏置时 反向偏置时 I V特性曲线与特性曲线与pn结的 形状相似 但它们的电 流传输机制确完全不同 结的 形状相似 但它们的电 流传输机制确完全不同 I V特性特性 半导体器件物理 热离子发射热离子发射 热离子发射热离子发射 隧穿 场发射隧穿 场发射 隧穿 场发射隧穿 场发射 空间电荷 区的复合 空间电荷 区的复合 空间电荷 区的复合 空间电荷 区的复合 空穴注入空穴注入 空穴注入空穴注入 多数载流子 的电流 多数载流子 的电流 通过通过M S界面的电流机制界面的电流机制 半导体器件物理 热离子发射热离子发射 隧穿势垒隧穿势垒 空间电荷区内的复合空间电荷区内的复合 空穴从金属注入到半导体 少子注入 空穴从金属注入到半导体 少子注入 中等掺杂时为主中等掺杂时为主 1017cm 3 重掺杂时为主 欧姆接触主要机制重掺杂时为主 欧姆接触主要机制 与与pn结中的复合电流相同结中的复合电流相同 等效于中性区中的复合等效于中性区中的复合 半导体器件物理 热离子发射热离子发射热离子发射热离子发射 1 kTqV s eJJ kT q TAJ Bn s exp 2 A 有效里查孙常数 有效里查孙常数 n Si时 为时 为110A cm2 K2 与势垒高度有关与势垒高度有关 与温度有关与温度有关 与掺杂浓度无关与掺杂浓度无关 Voltage V 1 2 3 4 5 6 7 8 Current A M2 1e 1 1e 2 1e 3 1e 4 1e 5 1e 6 1e 7 1e 8 Nd 1e15 cm 3 Nd 1e16 cm 3 TE A 156 fitting Eq 4 半导体器件物理 热离子发射模型 两极管理论 热离子发射模型 两极管理论 肖特基二极管电流的模型肖特基二极管电流的模型 忽略使电子扩散到表面在空间电荷区中费米能级的变化忽略使电子扩散到表面在空间电荷区中费米能级的变化 外加电压完全用于提高外加电压完全用于提高S M发射的电子浓度发射的电子浓度 Ec EFs EFm 发射发射 1 kTqV s eJJ kT q TAJ Bn s exp 2 半导体器件物理 热离子发射模型 两极管理论 热离子发射模型 两极管理论 热离子发射电流密度热离子发射电流密度 biBn Bnn BBB q VVqVqVV k Tk Tk T SDDC nN eN eN e sc Jqn v Bn B qV k T SMcC Jqv N e 半导体向金属热发射电流 界面处电子浓度 半导体器件物理 Bn B q k T MScC Jqv N e 金属向半导体热发射电流不受外加偏置影响 热平衡时总电流为零 里查孙常数 120A cm2K2 0 2 0 BnBn BB n qq k Tk T ScC m m Jqv N eA T e AA 1 B qV k T S JJe 半导体向金属净电流 0 A 半导体器件物理 隧穿势垒隧穿势垒隧穿势垒隧穿势垒 00 expEqJ Bn 2 00 m Nqk E s D 与掺杂浓度有关与掺杂浓度有关 J 指数关系 与温度无关 指数关系 与温度无关 D N Nd cm 3 1e 151e 161e 171e 18 Jtunneling JTE 0 00 05 10 15 20 25 30 35 Sqrt Nd 2 0e 84 0e 86 0e 88 0e 81 0e 9 Jtunneling A M2 1e 3 1e 4 1e 5 半导体器件物理 少子注入少子注入少子注入少子注入 在足够高的正向偏压下起作用在足够高的正向偏压下起作用 类似于类似于pn结中的注入电流结中的注入电流 1 T exp k qV p L D qJ s p p p 复合电流复合电流复合电流复合电流 与与pn结中的复合电流相同结中的复合电流相同 kT qV J J Bn TH R 2 exp 1 低温 低偏压 短寿命时起作用低温 低偏压 短寿命时起作用 半导体器件物理 肖特基二极管小信号等效电路 结电容 结电阻 2 SD j bi qN C VV B k T dV ddIqI r 半导体器件物理 隧穿肖特基势垒隧穿肖特基势垒 场致热离子发射场致热离子发射 场致发射场致发射 低掺杂浓度低掺杂浓度 重掺杂 简并重掺杂 简并 tunneling electrons qV q b Ec EF Ev qV tunneling electronsdtun q b Etun Ec EF Ev 半导体器件物理 欧姆接触欧姆接触 0 30 6 0 5 1 1 5 Schottky Ohmic Voltage V 0 5 1 0 6 0 3 Rc 10 4ohm cm2 Best Rc 10 8ohm cm2 获得欧姆接触的方 法 获得欧姆接触的方 法 低势垒高度低势垒高度 重掺杂重掺杂 欧姆接触 相对于半导体的体电 阻而言其接触电阻可 以忽略的 欧姆接触 相对于半导体的体电 阻而言其接触电阻可 以忽略的M S接触 要求 接触 要求 提供器件所需的电流提供器件所需的电流 压降足够小压降足够小 对器件性能影响小对器件性能影响小 半导体器件物理 2 s dbi D xVV qN 掺杂浓度掺杂浓度 ND 耗尽层厚度耗尽层厚度 xd Distance m Energy eV EF Metal Semiconductor Ec 0 4 0 20 20 40 60 81 0 2 0 2 0 4 0 6 0 4 0 20 20 40 60 81 0 4 0 2 0 2 0 4 0 6 0 4 0 20 20 40 60 81 0 2 0 2 0 4 0 6 0 8 Ene