半导体器件物理7_施敏

第7章MESFET及相关器件

7.1 金属-半导体接触 7.2 金半场效应晶体管(MESFET) 7.3 调制掺杂效应晶体管

本章主题

整流性金半接触及电流电压特性 欧姆性金半接触及特定接触电阻 MESFET及其高频表现 MODFET及二维电子气 MOSFET、MESFET、MODFET比较

7.1 金属-半导体接触

7.1.1 基本特性金属与n型，理想情况，势垒高度为金属 功函数与电子亲和力之差：

金属与p型，势垒高度为：

q Bn q m qx

q Bp E g q m qx

金属和n半导体接触能带图(Wn>Ws)

(a)接触前 (b)间隙很大 (c)紧密接触 (d)忽略间隙

对已知半导体与任一金属而言， 在n型和p型衬底上势垒高度和恰好 为半导体的禁带宽度公式如下

q ( Bn Bp ) E g内建电势：

V bi Bn V n

电荷、电场分布 SqND0 W X

与单边突变结p+-n结类似E W 0 -Em X

相关公式1E ( x) Em qND

S S

W

x Em

qN

D

S

x

qN D W

相关公式2Em W qND W Vbi V 2 2 S 2 S bi V V W qND QSC qND W 2q S ND ( Vbi V )2

相关公式3C 1 C N2

Q SC V

SW

2 (V bi V ) q S N 2 q SD

D

1 2 d (1 / C ) / dV

7.1.2 肖特基势垒肖特基势垒指一具有大的势垒 高度(也就是， Bn 或 Bp kT ) 以及掺杂浓度比导带或价带上态密 度低的金属半导体接触，其电流主 要由多数载流子完成。

热电子发射过程的电流输运

肖特基势垒电流电压特性在热电子发射情况下，金属半导 体接触的电流电压表示为 qV J J S exp 1 kT JS q Bn A * T exp kT 2

A*称为有 效理查逊 常数

少数载流子电流密度JP qV J P 0 exp( ) 1 kT qD p n i LP N D2

J P0

通常，少数载流子电流比多数载 流子电流少数个数量级。

7.1.3 欧姆接触

当一金属半导体的接触电阻相对于半导 体主体或串联电阻可以忽略不计，就叫 做欧姆电阻 欧姆电阻的一个指标为特定接触电阻

RC

J 1 V v 0

低掺杂浓度 的金半 高掺杂浓 度的金半

RC

k qA T*

exp(

q Bn kT

)

RC

C ~ exp 2 Bn N D

4 exp

m n S Bn ND

7.2 金半场效应晶体管7.2.1 器件结构

MESFET具有三个金属半导体接触，一个肖特基接触作为栅极以及两个当作源 极与漏极的欧姆接触，主要器件参数包含 栅极长度L,栅极宽度Z以及外延层厚度a, 大部分MESFET是用n型Ⅲ-Ⅴ族化合物半 导体制成。

7.2.2 工作原理

不同偏压下， MESFET耗尽

区宽度变化 与输出特性

沟道电阻

R

L A

L

L q n N D A

q n N D Z (a W )

饱和电压2 S 在此漏极电压时，漏极和源极被夹断， 此时漏极电流称为饱和电流IDsat 。V Dsat qN D a 2 S2

V Dsat

qN D a

2

V bi , V G 0

V bi V G

加入VG使得栅极接触被反偏，当VG 增大至一特定值时，耗尽区将触到 半绝缘衬底，此时VD为饱和电压。