中国科学技术大学物理系微电子专业 第四章：单极型器件 §4.1金属半导体结 §4.2肖特基势垒二极管SBD §4.3欧姆接触 §4.4结型场效应晶体管JFET §4.5肖特基栅场效应晶体管ESFET §4.6异质结MESFET Principle of Semiconductor Devices 2023/5/15
中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/5/15 Monday 1 第四章： 单极型器件 §4.1 金属半导体结 §4.2 肖特基势垒二极管SBD §4.3 欧姆接触 §4.4 结型场效应晶体管JFET §4.5 肖特基栅场效应晶体管MESFET §4.6 异质结MESFET Principle of Semiconductor Devices
中国科学技术大学物理系微电子考业 简介 单极型器件是指基本上只有一种类型的载流子参 与导电过程的半导体器件。 主要讨论以下五种类型的单极型器件： 1.金属半导体接触M/SSBD): 2.结型场效应晶体管(JFET) 3.金半（肖特基栅）场效应晶体管(MESFET) 4.金属氧化物半导体二极管MOS Diode): 5.金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) Principle of Semiconductor Devices 2023/5/15 2
中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/5/15 Monday 2 简介 • 单极型器件是指基本上只有一种类型的载流子参 与导电过程的半导体器件。 • 主要讨论以下五种类型的单极型器件： 1. 金属半导体接触(M/S SBD)； 2. 结型场效应晶体管（JFET）； 3. 金半(肖特基栅)场效应晶体管（ MESFET）； 4. 金属氧化物半导体二极管(MOS Diode)； 5. 金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET） Principle of Semiconductor Devices
中国科学技术大学物理系微电子专业 §4.1金属半导体结 第一个实用的半导体器件是由金属半导体点接触形 成的整流器，是一根金属触须压在半导体表面上构 成的，这种半导体器件从1904年开始已经得到很多 应用。 金属半导体接触的形成： 金属/半导体接触结构通常是通过在干净的半导体 表面淀积金属而形成。利用金属硅化物(Silicide 技术可以优化和减小接触电阻，有助于形成低电阻 欧姆接触。 OXIDE POLY-Si 目前使用平面工艺制作面接触。 SILICON Principle of Semiconductor Devices 2023/5/15 3
中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/5/15 Monday 3 §4.1 金属半导体结 • 第一个实用的半导体器件是由金属半导体点接触形 成的整流器，是一根金属触须压在半导体表面上构 成的，这种半导体器件从1904年开始已经得到很多 应用。 • 金属半导体接触的形成： 金属/半导体接触结构通常是通过在干净的半导体 表面淀积金属而形成。利用金属硅化物（Silicide） 技术可以优化和减小接触电阻，有助于形成低电阻 欧姆接触。 • 目前使用平面工艺制作面接触。 Principle of Semiconductor Devices
中国科学枝术大学物理系微电子专业 1、金半接触的类型 金属-半导体结分为两种类型 具有整流作用的肖特基结和非整流低电阻的欧姆结 肖特基结：又称为肖特基势垒接触。1938年， 肖特基提出，半导体内稳定的空间电荷形成的势垒 可能有整流作用。由此产生的势垒模型就是所谓肖 特基势垒。金属半导体形成的具有整流效应的结称 为肖特基结 欧姆结：又称为欧姆接触 金属半导体接触也可能是非整流性的，即不管所加电 压极性如何，接触电阻均可忽略，这种金属半导体 接触称为欧姆接触。为实现电子系统中的相互连接， 所有半导体器件和集成电路都必须有欧姆接触。 Principle of Semiconductor Devices 2023/5/15 4
中国科学技术大学物理系微电子专业 • 金属-半导体结分为两种类型： 具有整流作用的肖特基结和非整流低电阻的欧姆结。 • 肖特基结：又称为肖特基势垒接触。1938年， 肖特基提出，半导体内稳定的空间电荷形成的势垒 可能有整流作用。由此产生的势垒模型就是所谓肖 特基势垒。金属半导体形成的具有整流效应的结称 为肖特基结。 • 欧姆结：又称为欧姆接触。 金属半导体接触也可能是非整流性的, 即不管所加电 压极性如何，接触电阻均可忽略，这种金属半导体 接触称为欧姆接触。为实现电子系统中的相互连接， 所有半导体器件和集成电路都必须有欧姆接触。 2023/5/15 Monday 4 1、金半接触的类型 Principle of Semiconductor Devices
中国科学技术大学物理系微电子专业 2、能带关系 金属和半导体接触时，由于金属的功函数一般和 半导体的功函数不同，而存在接触电势差，结果 在接触界面附近形成势垒，通常称为肖特基势垒 功函数是费米能级和真空能级的能量差（即对于 金属为q中m,对于半导体为q)。 半导体导带底和真空能级能量差称为电子亲和能 qX。 金属半导体的接触势垒是指电子从金属进入半导 体必须克服的势垒的高度。 Principle of Semiconductor Devices 2023/5/15 5
中国科学技术大学物理系微电子专业 2023/5/15 Monday 5 2、能带关系 • 金属和半导体接触时，由于金属的功函数一般和 半导体的功函数不同，而存在接触电势差，结果 在接触界面附近形成势垒，通常称为肖特基势垒。 • 功函数是费米能级和真空能级的能量差（即对于 金属为qфm，对于半导体为qфs）。 • 半导体导带底和真空能级能量差称为电子亲和能 q。 • 金属半导体的接触势垒是指电子从金属进入半导 体必须克服的势垒的高度。 Principle of Semiconductor Devices
金属和半导体的功函数 ·功函数： W=EVAC-EF. (EvAC-真空中静止电子的能量，亦记作E0) ·功函数给出了固 体中E处的电子 逃逸到真空所需 的最小能量 (E）= 图7-1金属中的电子势阱 2023/5/15 Principle of Semiconductor Devices 6 Mondav
★ 金属和半导体的功函数 功函数: W= EVAC-EF, ( EVAC --真空中静止电子的能量,亦记作E0 ) 功函数给出了固 体中EF处的电子 逃逸到真空所需 的最小能量. 2023/5/15 Monday Principle of Semiconductor Devices 6
金属功函数Z 6 6: 5 a 2 周捌 2- 43 10 20 30 40 50 50 80 9 9 项子序数 图7-2 真空中清洁表面的金周功函数与原子序数的关系 2023/5/15 Principle of Semiconductor Devices 7
金属功函数Z 2023/5/15 Monday Principle of Semiconductor Devices 7
·关于功函数的几，点说明： ①对金属而言，功函数Wm可看作是固定 的.功函数Wm标志了电子在金属中被束 缚的程度 对半导体而言，功函数与掺杂有关 ② 功函数与表面有关 ③ 功函数是一个统计物理量 2023/5/15 Principle of Semiconductor Devices 8 Mondav
关于功函数的几点说明: ① 对金属而言, 功函数Wm可看作是固定 的. 功函数Wm标志了电子在金属中被束 缚的程度. 对半导体而言, 功函数与掺杂有关 ② 功函数与表面有关. ③ 功函数是一个统计物理量 2023/5/15 Monday 8 Principle of Semiconductor Devices
对半导体而言，功函数W与参杂有关，电 子亲和能X是固定的， T Fo 图73 半导体的功函数和电子亲合能 ●半导体功函数与杂质掺杂浓度的关系 ◆n型半导体：Ws=+(Ec-E) p型半导体：Ws=X+[Eg-(EEv] 2023/5/15 Principle of Semiconductor Devices 9
对半导体而言,功函数W与掺杂有关，电 子亲和能χ 是固定的, 半导体功函数与杂质掺杂浓度的关系 ♦ n型半导体: WS =χ+(EC -EF ) ♦ p型半导体: WS =χ+[Eg-(EF -EV )] 2023/5/15 Monday 9 Principle of Semiconductor Devices
热平衡情形下M/S接触的能带图 假设金属与半导体功函数差为：Wms,且一般情 况下不为0。 当金属和半导体形成接触时，如果二者的功函数 不同（费米能级不等），则会发生载流子浓度和 电势的再分布，形成肖特基势垒。通常会出现电 子从功函数小（费米能级高）的材料流向功函数 大的材料，直到两材料体内各点的费米能级相同 (即Ef=常数)为止。半导体体内载流子的再 分布会形成载流子耗尽或积累，并在耗尽区或积 累区发生能带弯曲，而在金属体内的载流子浓度 和能带基本没有变化 2023/5/15 Principle of Semiconductor Devices 10
热平衡情形下M/S接触的能带图 假设金属与半导体功函数差为：Wms，且一般情 况下不为0。 当金属和半导体形成接触时，如果二者的功函数 不同（费米能级不等），则会发生载流子浓度和 电势的再分布，形成肖特基势垒。通常会出现电 子从功函数小（费米能级高）的材料流向功函数 大的材料，直到两材料体内各点的费米能级相同 （即Ef ＝常数）为止。半导体体内载流子的再 分布会形成载流子耗尽或积累，并在耗尽区或积 累区发生能带弯曲，而在金属体内的载流子浓度 和能带基本没有变化。 2023/5/15 Monday 10 Principle of Semiconductor Devices