施敏半导体器件物理

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

施敏 半导体器件物理英文版 第一章习题

1. （a）求用完全相同的硬球填满金刚石晶格常规单位元胞的最大体积分数。 （b）求硅中（111）平面内在300K温度下的每平方厘米的原子数。 2. 计算四面体的键角，即，四个键的任意一对键对之间的夹角。（提示：绘出四个等长度的向量作为键。四个向量和必须等于多少？沿这些向量之一的方向取这些向量的合成。）

3. 对于面心立方，常规的晶胞体积是a3，求具有三个基矢：（0,0,0→a/2,0,a/2），(0,0,0→a/2,a/2,0),和(0,0,0→0,a/2,a/2)的fcc元胞的体积。 4. （a）推导金刚石晶格的键长d以晶格常数a的表达式。

（b）在硅晶体中，如果与某平面沿三个笛卡尔坐标的截距是10.86A，16.29A，和21.72A，求该平面的密勒指数。

5. 指出（a）倒晶格的每一个矢量与正晶格的一组平面正交，以及

（b）倒晶格的单位晶胞的体积反比于正晶格单位晶胞的体积。

6. 指出具有晶格常数a的体心立方（bcc）的倒晶格是具有立方晶格边为4π/a的面心立方（fcc）晶格。[提示：用bcc矢量组的对称性： a?aaa(y?z?x)，b?(z?x?y)，c?(x?y?z) 222

施敏 半导体器件物理英文版 第一章习题

1. （a）求用完全相同的硬球填满金刚石晶格常规单位元胞的最大体积分数。 （b）求硅中（111）平面内在300K温度下的每平方厘米的原子数。 2. 计算四面体的键角，即，四个键的任意一对键对之间的夹角。（提示：绘出四个等长度的向量作为键。四个向量和必须等于多少？沿这些向量之一的方向取这些向量的合成。）

3. 对于面心立方，常规的晶胞体积是a3，求具有三个基矢：（0,0,0→a/2,0,a/2），(0,0,0→a/2,a/2,0),和(0,0,0→0,a/2,a/2)的fcc元胞的体积。 4. （a）推导金刚石晶格的键长d以晶格常数a的表达式。

（b）在硅晶体中，如果与某平面沿三个笛卡尔坐标的截距是10.86A，16.29A，和21.72A，求该平面的密勒指数。

5. 指出（a）倒晶格的每一个矢量与正晶格的一组平面正交，以及

（b）倒晶格的单位晶胞的体积反比于正晶格单位晶胞的体积。

6. 指出具有晶格常数a的体心立方（bcc）的倒晶格是具有立方晶格边为4π/a的面心立方（fcc）晶格。[提示：用bcc矢量组的对称性： a?aaa(y?z?x)，b?(z?x?y)，c?(x?y?z) 222

2014/10/16

2.2 PN结的直流电流电压方程PN结在正向电压下电流很大，在反向电压下电流很小，这说明 PN结具有单向导电性，可作为二极管使用。 PN结二极管的直流电流电压特性曲线，及二极管在电路中的符号为

本节的重点 1、中性区与耗尽区边界处的少子浓度与外加电压的关系。这称为“结定律”,并将被用做求解扩散方程的边界条件； 2、PN结两侧中性区内的少子浓度分布和少子扩散电流； 3、PN结的势垒区产生复合电流

P区 -xp xn

N区

2.2.1外加电压时载流子的运动情况平衡 PN结的能带图 P区 N区外加正向电压 V后，PN结势垒高度由 qVbi降为 q(Vbi -V), xd与 Emax减小，使扩散电流大于漂移电流，形成正向电流。外加电场内建电场

EC Ei

EF EVqVbi

EC EF Ei EV

P

N

E

平衡时外加正向电压时面积为 Vbi面积为 Vbi-V

0

x

正向电流密度由三部分组成： 1、空穴扩散电流密度 Jdp (在 N区中推导 ) 2、电子扩散电流密度 Jdn (在 P区中推导 ) 3、势垒区复合电流密度 Jr (在势垒区中推导 ) P区

J J dp J dn J r

Jdp N区

Jdn

势垒高度降低后不能再阻止 N区电子向 P区的扩散及

2014/10/16

2.2 PN结的直流电流电压方程PN结在正向电压下电流很大，在反向电压下电流很小，这说明 PN结具有单向导电性，可作为二极管使用。 PN结二极管的直流电流电压特性曲线，及二极管在电路中的符号为

本节的重点 1、中性区与耗尽区边界处的少子浓度与外加电压的关系。这称为“结定律”,并将被用做求解扩散方程的边界条件； 2、PN结两侧中性区内的少子浓度分布和少子扩散电流； 3、PN结的势垒区产生复合电流

P区 -xp xn

N区

2.2.1外加电压时载流子的运动情况平衡 PN结的能带图 P区 N区外加正向电压 V后，PN结势垒高度由 qVbi降为 q(Vbi -V), xd与 Emax减小，使扩散电流大于漂移电流，形成正向电流。外加电场内建电场

EC Ei

EF EVqVbi

EC EF Ei EV

P

N

E

平衡时外加正向电压时面积为 Vbi面积为 Vbi-V

0

x

正向电流密度由三部分组成： 1、空穴扩散电流密度 Jdp (在 N区中推导 ) 2、电子扩散电流密度 Jdn (在 P区中推导 ) 3、势垒区复合电流密度 Jr (在势垒区中推导 ) P区

J J dp J dn J r

Jdp N区

Jdn

势垒高度降低后不能再阻止 N区电子向 P区的扩散及

（ ）半导体中的电子浓度越大，则空穴浓度越小。 （ ）同一种材料中，电子和空穴的迁移率是相同的。 （ ）非简并半导体处于热平衡状态的判据是n0p0=ni2。 （ ）PN结空间电荷区宽度随反偏电压的增大而减小。 （ ）MOSFET只有一种载流子（电子或空穴）传输电流。 （ ）平衡PN结中费米能级处处相等。

（ ）双极性晶体管的放大作用是在工作在饱和区。

（ ）要提高双极晶体管的直流电流放大系数α、β值，就必须提高发射结的注入系数和基区输运系数。

（ ）金属与N型半导体接触，如果金属的功函数大于半导体的功函数则形成欧姆接触，反之形成肖特基势垒接触。

（ ）场效应晶体管的源极和漏极可以互换，双极型晶体管的发射极和集电极也是可以互换的。

1．下列固体中，禁带宽度Eg最大的是（ ）

A金属 B 半导体 C 绝缘体 D超导体

2．受主杂质电离后向半导体提供（ ）

A 空穴 B 电子 C质子 D中子

3．硅中非平衡载流子的复合主要依靠（ ）

A 直接复合 B 间接复合 C 俄歇复合 D直接和间接复合

4．衡量电子填充能级水平的是

1. P-N结雪崩击穿、隧道击穿和热击穿的原理 2. 简述晶体管开关的原理

3. 简述晶体管4个频率参数的定义并讨论它们之间的大小关系 4. 简述弗仑克耳缺陷和肖特基缺陷的特点、共同点和关系

5. 以NPN型晶体管为例，试论述晶体管在不同工作模式下基区少数载流子分

布特征及与晶体管输出特性间的关系

6. 请阐述MOSFET的基本结构并结合示意图说明在不同外置电压情况下其工

作状态和输出特性

7. 叙述非平衡载流子的产生和复合过程，并描述影响非平衡载流子寿命的因素 8. 论述在外加直流电压下P-N结势垒的变化、载流子运动以及能带特征 9. 试叙述P-N结的形成过程以及P-N结外加电压时其单向导电特征

10. 何谓截止频率、特征频率及振荡频率，请叙述共发射极短路电流放大系数与

频率间的关系

11. 请叙述晶体管四种工作模式并分析不同模式下基区少数载流子的分布特征 12. 请画出P型半导体理想MOS的C-V曲线，并叙述曲线在不同外加电信号作

用下的曲线特征及原因

13. 影响MOS的C-V特性的因素有哪些？它们是如何影响C-V曲线的 14. MOS中硅-二氧化硅，二氧化硅层中有哪些影响器件性能的不利因素 15. 介绍MIS结构及其特点，并结合能带变化论述理

第八章 金属/半导体接触和MESFET

自从Lilienfeld和Heil在1930年提出场效应晶体管（FET）的概念起，直到20世纪50年代半导体材料工艺发展到一定水平后才做出了可以实际工作的器件。所谓场效应就是利用电场来调制材料的电导能力，从而实现器件功能。除了前面讨论过的MOS、MNOS、MAOS、MFS等都属于场效应器件外,还发展了结型场效应管(J-FET), 肖特基势垒栅场效应管（MES FET）等。本章从金属与半导体接触出发，讨论MES FET的结构和工作原理。

8.1. 肖特基势垒和欧姆接触 8.1.1. 肖特基势垒

当金属和半导体接触时，由于金属的功函数与半导体的功函数不同，在接触的界面处存在接触电势差，就会形成势垒，通常称为肖特基势垒。下面以金属与n型半导体接触为例来讨论肖特基势垒的特性。

(1) 理想情况：假定接触处的半导体表面不存在表面态，图8.1(a)是金属与半导体接触前的能带图(非平衡条件下，其中qφm和qφ

S

分别为金属和半导体的功

1

图8.1

函数，qχ为半导体的电子亲和（势）能。功函数定义为将一个电子从Fermi能级移到材料外面（真空能级）所需要的能量，电子亲和能是将一个电子从导带底移到真空能

第一章

1试画出金属及半导体相对真空能级的能带图，并标出有关电势符号加以说明？ 2当金属－半导体紧密接触以后，如何建立统一的费米能级Ef？ 说明Фb＝Φm－Χ

s

的物

3说明公式qΦs＝qΧs＋q（Ec－Ef）的物理意义？

4什么是“肖特基势垒”？写出其表达式？它是对什么区域电子而言？ 5金属－半导体结的正偏如何？

6金属－半导体结的反偏特性如何？

7肖特基势垒qΦb是金半结什么偏置下建立的？ 8金半的1/c～(VR+Φ0)曲线是什么原理制作？ 9金半1/c～V曲线有何应用？

10什么是界面态？

11表面态对E0Ef时对金半自建场有何影响？ 12试简述金半I－V的电流输运理论？

13从热电子发射出发说明dn=N(c)·f(E)·dE的物理意义？

14试简述热电子发射理论求得的电流方程式I0=ARTexp(-ｑΦm/KT)是如何建立的？ 15有金属－真空系统推倒的电流公式可用于M－S结吗？ 16写出金半的正偏、反偏及总的电流表达式？ 17如何从S－M结上的I－V特性曲线求I0及Φb? 18什么是镜像力？它对电势有何影响？

19在M－S结中镜像力对金属的势垒有何影响？

20在M－S结的反偏时，其实际值与理论值差异是如何形成的？写出修正式？ 21

第一章 PN结

1.1 PN结是怎么形成的？ 1.2 PN结的能带图（平衡和偏压） 1.3 内建电势差计算

Vbi??Fp??FnkT?NaNd?ln?2e?n?i?? ??1.4 空间电荷区的宽度计算

?2?s(Vbi?VR)?Na?Nd?W???NNe?ad????????1/2 Naxp?Ndxn

1.5 PN结电容的计算

??e?sNaNdC'???2(V?V)(N?N)Rad??bi1/2??sW

第二章 PN结二极管

2.1理想PN结电流模型是什么？

2.2 少数载流子分布（边界条件和近似分布） 2.3 理想PN结电流

??eVa??J?Js?exp???1?

??kT??Js?eDppn0Lp?eDnnp0Ln?1D1n??en??Na?n0Nd?2iDp??

?p0??2.4 PN结二极管的等效电路（扩散电阻和扩散电容的概念）？

2.5 产生-复合电流的计算

Jrec??W0eniWeRdx?2?0??eVa???exp?2kT??1? ????2.6 PN结的两种击穿机制有什么不同？

第三章 双极晶体管

3.1 双极晶体管的工作原理是什么？

3.2 双极晶体管有几种工作模式，哪种是放大模式？ 3.3 双极晶体管的少子