第四章 單極型器件

第四章：?jiǎn)螛O型器件§4.1金半接觸§4.2肖特基勢(shì)壘二極管§4.3歐姆接觸§4.4結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管§4.5肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管§4.6異質(zhì)結(jié)MESFET2/2/20231半導(dǎo)體器件物理簡(jiǎn)介單極型器件是指基本上只有一種類型的載流子參與導(dǎo)電過(guò)程的半導(dǎo)體器件。主要討論以下五種類型的單極型器件：金屬半導(dǎo)體接觸(M/SSBD)；結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）；金半(肖特基柵)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET）；金屬氧化物半導(dǎo)體二極管(MOSDiode)；金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）2/2/20232半導(dǎo)體器件物理金半接觸：

在電學(xué)性能上類似于單邊突變結(jié)，但能作為具有高速響應(yīng)特性的多數(shù)載流子工作器件來(lái)用。重?fù)诫s半導(dǎo)體上的金半接觸是歐姆接觸的最重要形式。JFET：

基本上是一個(gè)由電壓控制的電阻。這種器件利用一個(gè)反向偏置的pn結(jié)作為柵電極去控制電阻，從而控制兩個(gè)歐姆結(jié)之間的電流。MESFET：

類似JFET，MESFET用金半整流接觸去代替pn結(jié)作柵極。JFET和MESFET都可以用具有高電子遷移率的半導(dǎo)體材料制造，對(duì)于高速IC，具有非常好的優(yōu)點(diǎn)。其次，F(xiàn)ET在大電流下具有負(fù)溫度系數(shù)，即電流隨溫度的增加而減小，這個(gè)特點(diǎn)導(dǎo)致更均勻的溫度分布，而且即使有源面積很大，或在許多器件并聯(lián)使用時(shí)，其熱穩(wěn)定性也非常好。2/2/20233半導(dǎo)體器件物理§4.1金屬—半導(dǎo)體接觸第一個(gè)實(shí)用的半導(dǎo)體器件是由金屬－半導(dǎo)體點(diǎn)接觸形成的整流器，是一根金屬觸須壓在半導(dǎo)體表面上構(gòu)成的，這種半導(dǎo)體器件從1904年開(kāi)始已經(jīng)得到很多應(yīng)用。金屬—半導(dǎo)體接觸可形成整流器。1938年，肖特基提出，半導(dǎo)體內(nèi)穩(wěn)定的空間電荷形成的勢(shì)壘可能有整流作用。由此產(chǎn)生的勢(shì)壘模型就是所謂肖特基勢(shì)壘。金屬—半導(dǎo)體形成的結(jié)稱為肖特基結(jié)。金屬—半導(dǎo)體接觸也可能是非整流性的,即不管所加電壓極性如何，接觸電阻均可忽略，這種金屬—半導(dǎo)體接觸稱為歐姆接觸。為實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)中的相互連接，所有半導(dǎo)體器件和集成電路都必須有歐姆接觸。2/2/20234半導(dǎo)體器件物理M/S接觸的形成M/S結(jié)構(gòu)通常是通過(guò)在干凈的半導(dǎo)體表面淀積金屬而形成。利用金屬硅化物（Silicide）技術(shù)可以優(yōu)化和減小接觸電阻，有助于形成低電阻歐姆接觸。2/2/20235半導(dǎo)體器件物理1、能帶關(guān)系金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)，由于金屬的功函數(shù)一般和半導(dǎo)體的功函數(shù)不同，而存在接觸電勢(shì)差，結(jié)果在接觸界面附近形成勢(shì)壘，通常稱為肖特基勢(shì)壘。功函數(shù)是費(fèi)米能級(jí)和真空能級(jí)的能量差（即對(duì)于金屬為qфm，對(duì)于半導(dǎo)體為qфs）。半導(dǎo)體導(dǎo)帶底和真空能級(jí)能量差稱為電子親和能q。金屬半導(dǎo)體的接觸勢(shì)壘是指電子從金屬進(jìn)入半導(dǎo)體必須克服的勢(shì)壘的高度。2/2/20236半導(dǎo)體器件物理★金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)功函數(shù):W=EVAC-EF,

(

EVAC--真空中靜止電子的能量,亦記作E0)功函數(shù)給出了固體中EF處的電子逃逸到真空所需的最小能量.

2/2/20237半導(dǎo)體器件物理金屬功函數(shù)Z2/2/20238半導(dǎo)體器件物理關(guān)于功函數(shù)的幾點(diǎn)說(shuō)明:①對(duì)金屬而言,功函數(shù)Wm可看作是固定的.功函數(shù)Wm標(biāo)志了電子在金屬中被束縛的程度.對(duì)半導(dǎo)體而言,功函數(shù)與摻雜有關(guān)②功函數(shù)與表面有關(guān).③功函數(shù)是一個(gè)統(tǒng)計(jì)物理量2/2/20239半導(dǎo)體器件物理對(duì)半導(dǎo)體,電子親和能χ是固定的,功函數(shù)與摻雜有關(guān)

半導(dǎo)體功函數(shù)與雜質(zhì)濃度的關(guān)系?

n型半導(dǎo)體:WS=χ+(EC-EF)

?p型半導(dǎo)體:WS=χ+[Eg-(EF-EV)]2/2/202310半導(dǎo)體器件物理熱平衡情形下M/S接觸的能帶圖假設(shè)金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差為：Wms，且一般情況下不為0。當(dāng)金屬和半導(dǎo)體形成接觸時(shí)，如果二者的功函數(shù)不同（費(fèi)米能級(jí)不等），則會(huì)發(fā)生載流子濃度和電勢(shì)的再分布，形成肖特基勢(shì)壘。通常會(huì)出現(xiàn)電子從功函數(shù)小（費(fèi)米能級(jí)高）的材料流向功函數(shù)大的材料，直到兩材料體內(nèi)各點(diǎn)的費(fèi)米能級(jí)相同（即Ef＝常數(shù)）為止。半導(dǎo)體體內(nèi)載流子的再分布會(huì)形成載流子耗盡或積累，并在耗盡區(qū)或積累區(qū)發(fā)生能帶彎曲，而在金屬體內(nèi)的載流子濃度和能帶基本沒(méi)有變化。2/2/202311半導(dǎo)體器件物理★金屬和半導(dǎo)體接觸電勢(shì)差一種典型情況:討論M/n型半導(dǎo)體①接觸電勢(shì)差--為了補(bǔ)償兩者功函數(shù)之差,金屬與半導(dǎo)體之間產(chǎn)生電勢(shì)差:Vms=(Ws–Wm)/e?當(dāng)Wm>Ws,

Vms<0(金屬一邊低電勢(shì))（阻擋層）?通?？烧J(rèn)為接觸電勢(shì)差全部降落于空間電荷區(qū).2/2/202312半導(dǎo)體器件物理2/2/202313半導(dǎo)體器件物理②半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度:

VD

=∣Vms∣③表面勢(shì)—半導(dǎo)體表面相對(duì)于體內(nèi)的電勢(shì)

Vs=Vms④金屬一邊的勢(shì)壘高度(肖特基勢(shì)壘--SB):

eΦSB

=eΦns=

Wm–χ

?常常選擇ΦSB為描述金屬/半導(dǎo)體接觸勢(shì)壘的基本物理量(ΦSB幾乎與外加電壓無(wú)關(guān))2/2/202314半導(dǎo)體器件物理能帶電荷分布電場(chǎng)分布2/2/202315半導(dǎo)體器件物理M/S接觸的電勢(shì)分布和Poisson方程2/2/202316半導(dǎo)體器件物理2/2/202317半導(dǎo)體器件物理★金屬/半導(dǎo)體接觸的幾種情況對(duì)M/n型半導(dǎo)體:

?

Wm>Ws能帶上彎--電子勢(shì)壘

空間電荷—電離施主

?Wm<Ws能帶下彎--電子勢(shì)阱空間電荷—電子積累勢(shì)壘—阻擋層,勢(shì)阱—反阻擋層2/2/202318半導(dǎo)體器件物理Wm>Ws電子勢(shì)壘W(wǎng)m<Ws電子勢(shì)阱2/2/202319半導(dǎo)體器件物理對(duì)M/p型半導(dǎo)體:

?Wm>Ws能帶上彎--空穴勢(shì)阱空間電荷—空穴積累

?Wm<Ws能帶下彎--空穴勢(shì)壘空間電荷—電離受主勢(shì)壘—阻擋層,勢(shì)阱—反阻擋層2/2/202320半導(dǎo)體器件物理Wm<Ws空穴勢(shì)壘W(wǎng)m>Ws空穴勢(shì)阱2/2/202321半導(dǎo)體器件物理當(dāng)金屬與半導(dǎo)體形成緊密接觸時(shí)，在熱平衡下兩種材料的費(fèi)米能級(jí)必須相等。此外，真空能級(jí)必須是連續(xù)的。對(duì)于這種理想的情況，勢(shì)壘高度qфBn就是金屬功函數(shù)和半導(dǎo)體電子親和能之差，2/2/202322半導(dǎo)體器件物理同樣，對(duì)于理想的金屬與P型半導(dǎo)體的接觸，其勢(shì)壘高度可用類似步驟確定：2/2/202323半導(dǎo)體器件物理對(duì)給定的半導(dǎo)體，任何金屬在n型襯底和p型襯底上的勢(shì)壘高度之和總等于n型半導(dǎo)體的自建電勢(shì)為又有：其中qVn為半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底和費(fèi)米能級(jí)之差2/2/202324半導(dǎo)體器件物理金屬與n型半導(dǎo)體接觸，金屬一側(cè)有負(fù)表面電荷，半導(dǎo)體一側(cè)存在等量的但極性相反的正空間電荷。這種電荷分布和具有同樣電場(chǎng)分布的P+-N結(jié)完全相同，由此得到半導(dǎo)體表面耗盡層寬度為：金屬相對(duì)n型半導(dǎo)體加正電壓（正向偏置）時(shí)，上式中外加電壓V取正值；金屬相對(duì)n型半導(dǎo)體加負(fù)電壓即反向偏置時(shí)，外加電壓V取負(fù)值。2/2/202325半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體內(nèi)單位面積的空間電荷QSC（C/cm2）和單位面積耗盡層電容C（F/cm2）可表示為：測(cè)量出C－V曲線，即可得到雜質(zhì)分布或者2/2/202326半導(dǎo)體器件物理2、界面態(tài)對(duì)勢(shì)壘高度的影響理論上,金屬一邊的勢(shì)壘高度

eΦSB

=eΦns=

Wm–χ實(shí)際上,ΦSB常常與金屬的種類關(guān)系不太大,而主要取決于表面態(tài)(界面態(tài))的影響:n型Si和n型GaAs的勢(shì)壘高度測(cè)量值顯示，ΦBn隨Wm的增大而增大，但不是直線，這是因?yàn)樵趯?shí)際的金屬半導(dǎo)體接觸中，由于晶格不連續(xù)，在接觸界面處產(chǎn)生大量的能量狀態(tài)，這些能量狀態(tài)叫做界面態(tài)或表面態(tài)，它們連續(xù)分布在禁帶內(nèi)，可能起施主或受主作用，影響勢(shì)壘高度的實(shí)際值，對(duì)Si和GaAs，n型勢(shì)壘高度被低估，p型勢(shì)壘高度被高估。2/2/202327半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體表面處,禁帶中存在表面態(tài).半導(dǎo)體與其表面態(tài)通過(guò)交換電子,達(dá)到相互平衡由于表面態(tài)的存在,半導(dǎo)體表面產(chǎn)生空間電荷區(qū),能帶彎曲.2/2/202328半導(dǎo)體器件物理為了描述半導(dǎo)體表面態(tài)，引入中性能級(jí)qΦ0：當(dāng)qΦ0以下的表面態(tài)全部被電子占據(jù)，而以上的全部空出時(shí)，半導(dǎo)體表面是中性的。低于qΦ0的界面態(tài)沒(méi)有電子占據(jù)時(shí)帶正電，作用相當(dāng)于施主，高于qΦ0的界面態(tài)被電子占據(jù)時(shí)帶負(fù)電，作用相當(dāng)于受主。如果qΦ0與半導(dǎo)體的EF重合，則界面態(tài)和半導(dǎo)體內(nèi)部沒(méi)有電子交換，界面的凈電荷為0。如果qΦ0>EF，則電子從表面向體內(nèi)轉(zhuǎn)移，界面凈電荷為正，qΦ0<EF，電子從體內(nèi)向表面轉(zhuǎn)移，界面凈電荷為負(fù)。

2/2/202329半導(dǎo)體器件物理以M/n型半導(dǎo)體為例,且Wm>Ws.①

單獨(dú)考慮表面態(tài):表面態(tài)在能隙中形成一個(gè)能帶.?設(shè)表面態(tài)的電中性能級(jí)距價(jià)帶頂為eΦ0由表面態(tài)的帶電狀態(tài),表面態(tài)可分為:?施主型表面態(tài)—被電子占據(jù)時(shí),呈電中性,失去電子后,呈正電性.?受主型表面態(tài)—空態(tài)時(shí),呈電中性,得到電子后,呈負(fù)電性.2/2/202330半導(dǎo)體器件物理對(duì)大多數(shù)半導(dǎo)體,表面態(tài)電中性能級(jí)距價(jià)帶頂大約有eΦ0=?Eg?對(duì)p型半導(dǎo)體,本征表面態(tài)常為施主型?對(duì)n型半導(dǎo)體,本征表面態(tài)常為受主型2/2/202331半導(dǎo)體器件物理②半導(dǎo)體與其表面態(tài)通過(guò)交換電子,達(dá)到相互平衡,具有統(tǒng)一的EF.當(dāng)表面態(tài)的密度很大,EF被表面態(tài)釘扎(釘扎于表面態(tài)電中性能級(jí)).

?對(duì)n型半導(dǎo)體:eVD=Eg–eΦ0–(Ec–EF)n

?對(duì)p型半導(dǎo)體:eVD=eΦ0–(EF–EV)p2/2/202332半導(dǎo)體器件物理③考慮金屬/半導(dǎo)體:當(dāng)帶有表面態(tài)的半導(dǎo)體與金屬接觸,要考慮這三者之間的電子交換.平衡時(shí),金屬,表面態(tài)和半導(dǎo)體具有統(tǒng)一的EF.2/2/202333半導(dǎo)體器件物理對(duì)金屬/半導(dǎo)體接觸勢(shì)壘的小結(jié):仍以M/n-S,勢(shì)壘接觸(Wm>Ws)為例:

eΦSB

=eVD+(Ec–EF)n

?當(dāng)不考慮表面態(tài):eΦSB

=

Wm–χ

?當(dāng)表面態(tài)的密度很高:

eΦSB

=Eg–

eΦ0--肖特基勢(shì)壘高度與金屬的Wm無(wú)關(guān).

2/2/202334半導(dǎo)體器件物理?一般情況下,可介于二者之間,則有:eΦSB

=(1-S)(Eg–

eΦ0)+S(

Wm–χ)?S稱為界面行為因子(與半導(dǎo)體材料有關(guān),與制造工藝有關(guān))

?

當(dāng)表面態(tài)密度很小,S1

?

當(dāng)表面態(tài)密度很大,S02/2/202335半導(dǎo)體器件物理3、肖特基效應(yīng)鏡像力使肖特基勢(shì)壘高度降低。半導(dǎo)體中距離金屬表面x處的電子會(huì)在金屬上感應(yīng)一個(gè)正電荷，這個(gè)正電荷稱為鏡像電荷，電子與這個(gè)正電荷之間的引力等于電子與位于－x處等量正電荷之間的靜電引力，稱為鏡像力。由庫(kù)侖定律，鏡像力為：

距離金屬表面x處的電子的勢(shì)能等于把無(wú)窮遠(yuǎn)處的一個(gè)電子遷移到x處需要作的功，因此：

2/2/202336半導(dǎo)體器件物理這個(gè)勢(shì)能疊加到理想肖特基勢(shì)能上，將使原來(lái)的肖特基勢(shì)壘曲線在x＝0處下降，即肖特基勢(shì)壘降低，這種效應(yīng)稱為肖特基效應(yīng)。大電場(chǎng)下，肖特基勢(shì)壘被鏡像力降低很多。鏡像力使肖特基勢(shì)壘降低的前提是金屬表面附近的半導(dǎo)體導(dǎo)帶底要有電子存在，勢(shì)壘本身的高度由金半功函數(shù)和表面態(tài)決定，與電子是否存在無(wú)關(guān)。所以在測(cè)量勢(shì)壘高度時(shí)，如果所用方法與電子在金屬與半導(dǎo)體間的輸運(yùn)有關(guān)，則所得結(jié)果將比實(shí)際值要低。如果測(cè)量方法只與耗盡區(qū)的空間電荷有關(guān)，而不涉及電子輸運(yùn)，如電容法，則測(cè)量結(jié)果不受鏡像力影響。同樣，空穴也產(chǎn)生鏡像力，它使半導(dǎo)體能帶的價(jià)帶頂在邊界附近向上彎曲，使接觸處能帶變窄。2/2/202337半導(dǎo)體器件物理肖特基勢(shì)壘高度對(duì)實(shí)用肖特基勢(shì)壘二極管SBD的電學(xué)性質(zhì)有重要影響，連續(xù)調(diào)整肖特基勢(shì)壘高度的方法有：①用金屬的合金作為肖特基勢(shì)壘金屬，所得勢(shì)壘高度隨合金的組分線性變化；②在不同氣氛下對(duì)半導(dǎo)體表面或金半勢(shì)壘進(jìn)行熱處理，從而改變金半之間薄界面層厚度和性質(zhì)，以此改變肖特基勢(shì)壘高度，但較難得到穩(wěn)定的器件性能；③在半導(dǎo)體表面作摻雜層。是目前廣泛使用的方法，為使有效勢(shì)壘降低，表面層摻入與半導(dǎo)體襯底同型的雜質(zhì)，為使有效勢(shì)壘高度增加，則在表面層摻入與襯底反型的雜質(zhì)。2/2/202338半導(dǎo)體器件物理§4.2肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）肖特基勢(shì)壘中的電流主要由半導(dǎo)體中的多子承擔(dān)，沒(méi)有少子的注入和復(fù)合問(wèn)題，故比pn結(jié)二極管有優(yōu)良的高頻特性。SBD通常采用遷移率大的n型材料制造。開(kāi)關(guān)速度比pn結(jié)二極管大4個(gè)數(shù)量級(jí)。根據(jù)工作狀態(tài)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，可用于微波檢波和混頻（正向IV非線性），肖特基變?nèi)莨埽–V特性），箝位二極管（正向?qū)ǎ怆姸O管，雪崩二極管（反偏勢(shì)壘特性）以及作為MESFET的控制柵極。2/2/202339半導(dǎo)體器件物理1、典型結(jié)構(gòu)在n＋襯底外延1μm厚的輕摻雜層，電阻率約1Ωcm，外延層的作用是加寬耗盡層，減小耗盡層電容，提高二極管的擊穿電壓，p＋保護(hù)環(huán)可以避免反向應(yīng)用時(shí)的邊緣擊穿和溝道效應(yīng)。勢(shì)壘金屬用蒸發(fā)、濺射、電鍍等方法沉積于清潔的半導(dǎo)體材料上，要在高真空下，防止形成界面氧化層。金屬材料主要有Au、Al、Pt、W、Ti、Ni、Ag及其合金，襯底材料主要有Si、GaAs、InP、SiC、ZnO等。2/2/202340半導(dǎo)體器件物理2/2/202341半導(dǎo)體器件物理2、伏安特性的定性圖象①定性圖象--阻擋層的整流作用:(仍討論M/n-S形成電子勢(shì)壘)

M/S接觸是多子器件.對(duì)M/n-S形成的電子勢(shì)壘,其輸運(yùn)特性主要由電子決定.

?正向偏置,半導(dǎo)體一側(cè)電子勢(shì)壘降低,可形成較大的正向電流.

?反向偏置,半導(dǎo)體一側(cè)電子勢(shì)壘升高,反向電流很小.當(dāng)反向偏置加大,反向電流可趨于飽和.2/2/202342半導(dǎo)體器件物理圖7-102/2/202343半導(dǎo)體器件物理1938年，W.Schottky提出了基于整流二極管的理論，稱為肖特基二極管理論。這一理論以金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)差為基礎(chǔ)。要定量討論I-V特性,必須討論電子是怎樣越過(guò)勢(shì)壘的.兩種近似模型:?擴(kuò)散理論—?jiǎng)輭緟^(qū)較厚,制約正向電流的主要是電子在空間電荷區(qū)的擴(kuò)散過(guò)程?熱電子發(fā)射理論—載流子的遷移率較高,電子能否通過(guò)勢(shì)壘區(qū),主要受制于勢(shì)壘高度.2/2/202344半導(dǎo)體器件物理2/2/202345半導(dǎo)體器件物理金屬—半導(dǎo)體接觸在熱離子發(fā)射情況下的伏安特性：其中除多子電流外，還存在少子電流，由金屬向半導(dǎo)體中注入少子（空穴），空穴的注入和p+n結(jié)情況一樣，其電流密度為：其中2/2/202346半導(dǎo)體器件物理n為理想因子，I0為與不依賴電壓的部分，非理想效應(yīng)用n的取值來(lái)反映，n通常取1.0-1.21）其中I0

通過(guò)外推得到。2）可以從以前的式子得到勢(shì)壘高度，在分析中勢(shì)壘降低必須考慮。3）n從曲線斜率得到。2/2/202347半導(dǎo)體器件物理

★肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)p-n結(jié)二極管肖特基勢(shì)壘二極管2/2/202348半導(dǎo)體器件物理?肖特基勢(shì)壘二極管是多子器件,有優(yōu)良的高頻特性.一般情況下,不必考慮少子的注入和復(fù)合.?肖特基勢(shì)壘二極管有較低的正向?qū)妷?反向擊穿電壓較低,反向漏電較高.?肖特基勢(shì)壘二極管具有制備上的優(yōu)勢(shì).2/2/202349半導(dǎo)體器件物理2/2/202350半導(dǎo)體器件物理例：對(duì)于W-SiSBD，ND=1016cm-3，JS=6.5×10-5A/cm2,試求：(1)(2)耗盡區(qū)寬度W(3)JS/Jp0

(設(shè)Si中τp＝10-6s，T＝300K，NC＝2.8×1019cm-3)正常工作條件下，少子電流比多子電流小幾個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此肖特基器件是單極型器件。

2/2/202351半導(dǎo)體器件物理3、簡(jiǎn)單應(yīng)用箝位晶體管

在數(shù)字電路中廣泛應(yīng)用。由于SBD導(dǎo)通電壓低，只需0.2-0.3V即正向?qū)?，晶體管不進(jìn)入深飽和狀態(tài)。由于SBD幾乎沒(méi)有少子存貯效應(yīng)，開(kāi)關(guān)時(shí)間可達(dá)到毫秒量級(jí)，且與硅工藝兼容。常用在晶體管集電極與基極之間，組成一個(gè)飽和時(shí)間常數(shù)很短的組合晶體管。SBD檢波器和混頻器。2/2/202352半導(dǎo)體器件物理§4.3 歐姆接觸定義接觸電阻與半導(dǎo)體的體電阻或串聯(lián)電阻相比可以略去不計(jì)的金屬半導(dǎo)體接觸為歐姆接觸。作為器件引線，一個(gè)滿意的歐姆接觸不應(yīng)顯著降低器件性能。即，需要通過(guò)的電流在歐姆結(jié)上產(chǎn)生的電壓降要遠(yuǎn)小于在器件有源區(qū)產(chǎn)生的電壓降。表示歐姆接觸性質(zhì)的參量是比接觸電阻（接觸電阻率，又稱特征電阻），其定義為2/2/202353半導(dǎo)體器件物理對(duì)于低摻雜濃度的金屬—半導(dǎo)體接觸，為了有小的接觸電阻ρC，需要用低勢(shì)壘高度的接觸。

2/2/202354半導(dǎo)體器件物理對(duì)于高摻雜濃度的接觸，勢(shì)壘寬度變得很窄，隧道電流可能起支配作用，隧道電流與穿透幾率成正比：又耗盡層厚度為：

式中，當(dāng)隧道電流占主導(dǎo)地位時(shí)，即在隧道效應(yīng)范圍內(nèi)，接觸電阻率強(qiáng)烈依賴于摻雜濃度，且隨因子指數(shù)下降。因此，2/2/202355半導(dǎo)體器件物理討論：因此，為獲得小的接觸電阻ρC，需要用高摻雜濃度或低勢(shì)壘高度的接觸，或二者都用。①摻雜在1019cm-3以上時(shí)，金半接觸的隧道效應(yīng)顯著，為場(chǎng)發(fā)射情況。ρC主要受隧道效應(yīng)支配，且隨雜質(zhì)濃度的增加迅速下降。②摻雜在1014～1017cm-3時(shí)，溫度在室溫以上時(shí)，金半接觸的電流以熱電子發(fā)射為主，ρC基本上與摻雜無(wú)關(guān)。③摻雜在1017～1018cm-3時(shí)，既有熱電子發(fā)射電流又有隧道效應(yīng)引起的場(chǎng)發(fā)射電流，稱為熱電子場(chǎng)發(fā)射情況。2/2/202356半導(dǎo)體器件物理影響接觸電阻的因素有半導(dǎo)體摻雜濃度，金半接觸勢(shì)壘高度，溫度，電子有效質(zhì)量，半導(dǎo)體表面玷污等，其中最重要的是摻雜濃度和勢(shì)壘高度。半導(dǎo)體重?fù)诫s能與許多金屬形成接近理想的歐姆接觸，而輕摻雜與金屬形成歐姆接觸時(shí)必須選擇勢(shì)壘高度很低的金屬或合金才行。2/2/202357半導(dǎo)體器件物理§4.4 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）這種器件最早在1952年開(kāi)始研究。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管是通過(guò)外加?xùn)艠O電壓來(lái)改變柵結(jié)空間電荷區(qū)的寬度，從而控制溝道導(dǎo)電能力的一種場(chǎng)效應(yīng)器件，即用一個(gè)或一個(gè)以上的反向偏置pn結(jié)的耗盡區(qū)去調(diào)制電流通過(guò)的截面積。電流中只包含有一種極性的載流子，所以JFET是單極型器件。此種器件已廣泛用于小信號(hào)放大器、電流限制器、電壓控制電阻器、開(kāi)關(guān)及音響電路和集成電路中。2/2/202358半導(dǎo)體器件物理1、工作原理

(1)基本結(jié)構(gòu)在一塊低摻雜的N型半導(dǎo)體晶片上，上下兩側(cè)對(duì)稱制作兩個(gè)高濃度P+區(qū)，與N區(qū)形成兩個(gè)對(duì)稱的P+N結(jié)。在N區(qū)的左右兩端各作一個(gè)歐姆接觸電極，分別稱為源極和漏極，記以S和D。P+區(qū)也分別制作歐姆電極并相連，所引出的電極稱為柵極，記以G。兩個(gè)P+N結(jié)中間（除去空間電荷區(qū)部分）區(qū)域稱為溝道。器件的基本結(jié)構(gòu)尺寸是：溝道長(zhǎng)度L，溝道寬度Z，溝道深度（兩個(gè)p+n結(jié)之間的距離）2a。而P溝JFET是在P型半導(dǎo)體晶片上，上下兩側(cè)制作兩個(gè)高濃度N+區(qū)，與P區(qū)形成兩個(gè)對(duì)稱的N+P結(jié)，然后分別引出電極而成。N溝和P溝是以導(dǎo)電溝道類型劃分的。2/2/202359半導(dǎo)體器件物理實(shí)際上，JFET可以認(rèn)為是由一個(gè)帶有兩個(gè)歐姆接觸的導(dǎo)電溝道構(gòu)成，一個(gè)歐姆接觸作源極，另一個(gè)作漏極。當(dāng)漏極加相對(duì)源極為正的電壓，電子流從源流到漏，所以源產(chǎn)生載流子，漏收集載流子，第三個(gè)電極是柵極，它和溝道構(gòu)成一個(gè)整流結(jié)。N溝JFET溝道中參與運(yùn)載電流的是電子，而P溝則是空穴，不管是N溝還是P溝，運(yùn)載電流的都是單一的多數(shù)載流子，因此，場(chǎng)效應(yīng)晶體管是單極型晶體管。N溝JFET優(yōu)于P溝JFET2/2/202360半導(dǎo)體器件物理(2)器件的類型和代表符號(hào)場(chǎng)效應(yīng)器件除了有N溝和P溝的區(qū)分外，按零柵壓時(shí)器件的工作狀態(tài)，又可分為耗盡型（常開(kāi)）和增強(qiáng)型（常關(guān)）兩大類。柵壓為零時(shí)已存在導(dǎo)電溝道的器件，稱為耗盡型器件，相反則為增強(qiáng)型器件。臂如，若溝道為高阻材料，當(dāng)柵壓為零時(shí)，柵結(jié)擴(kuò)散電勢(shì)Vbi已使溝道完全耗盡而夾斷，因而柵壓為零時(shí)不存在導(dǎo)電溝道。這種只有當(dāng)施加一定的正向柵壓才能形成導(dǎo)電溝道的器件，稱為增強(qiáng)型器件。增強(qiáng)型器件在高速低功耗電路中有很大的使用前途。因此，JEFT總共可分成N溝耗盡型、N溝增強(qiáng)型、P溝耗盡型、P溝增強(qiáng)型四大類。其中箭頭的方向代表空穴流的方向。JFET一般都是耗盡型的。2/2/202361半導(dǎo)體器件物理(3)JFET的輸出特性JFET的IDS和VDS之間特性稱為輸出特性。下面分VGS=0和VGS0兩種情況說(shuō)明IDS隨VDS的增加而變化的特性。①VGS=0（即柵極與源極短路）時(shí)的漏極特性。若VDS=0，此時(shí)P+N結(jié)處于平衡狀態(tài)，式中ND—N型溝道區(qū)的摻雜濃度；L、Z—溝道的長(zhǎng)度和寬度；2a—溝道的深度；h—柵結(jié)零偏時(shí)的空間電荷區(qū)寬度。

2/2/202362半導(dǎo)體器件物理（a）當(dāng)漏極加上一個(gè)很小的正電位（即VDS>0）時(shí)，將有電子自源端流向漏端，形成了自漏極流向源極的漏源電流IDS。這一電流在溝道電阻上產(chǎn)生的壓降使得溝道區(qū)沿電流流動(dòng)方向的電位不再相等。由于P+區(qū)可視為是等電位的，因而沿溝道長(zhǎng)度方向柵結(jié)上的實(shí)際偏壓也由原來(lái)的零偏發(fā)生了大小不等的變化：靠近源端，由于VGS0，故空間電荷區(qū)窄而溝道厚度大，而靠近漏端柵結(jié)反向偏壓大，故空間電荷區(qū)寬而溝道厚度小。當(dāng)VDS小于柵結(jié)接觸電位差Vbi時(shí)，溝道耗盡層的這種變化可以忽略，溝道電阻可近似地用上式表示，此時(shí)溝道電流IDS與VDS成正比。（b）隨著VDS增加，耗盡層的擴(kuò)展與溝道的變窄已不能忽略，溝道電阻的增加使得IDS隨VDS的增加逐漸變緩，當(dāng)VDS=VDSat時(shí)，溝道漏端兩耗盡層相會(huì)在P點(diǎn)，此處溝道寬度減小到零，即溝道被夾斷，P點(diǎn)為夾斷點(diǎn)，在夾斷點(diǎn)可以有一個(gè)大電流流過(guò)耗盡區(qū)，稱為飽和電流IDsat。對(duì)于突變結(jié)P+N，VG＝0時(shí)，可得到相應(yīng)漏電壓，這個(gè)電壓值稱為飽和電壓，式中Vbi是柵結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)。2/2/202363半導(dǎo)體器件物理（c）夾斷之后，當(dāng)VDS進(jìn)一步增加，即VDSVDSat時(shí)，漏端的耗盡層更厚，兩耗盡層的相會(huì)點(diǎn)P向源端移動(dòng)。當(dāng)溝道載流子運(yùn)動(dòng)到溝道夾斷點(diǎn)P時(shí)，立即被夾斷區(qū)的強(qiáng)場(chǎng)掃向漏極，形成漏電流。這樣，單位時(shí)間內(nèi)源到達(dá)P點(diǎn)的電子數(shù)目基本不變，因而溝道內(nèi)的電流也不變，這是因?yàn)闇系纼?nèi)從源到P點(diǎn)的電壓保持不變。因此，漏電流仍由導(dǎo)電溝道的電特性決定。由于夾斷點(diǎn)的電位始終等于VDSat，若夾斷點(diǎn)P移動(dòng)的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于溝道長(zhǎng)度L時(shí)，可以認(rèn)為夾斷后的IDS不再隨VDS的增大而變化，而是趨于飽和。2/2/202364半導(dǎo)體器件物理②VGS0時(shí)的漏特性。對(duì)于N溝JFET來(lái)說(shuō)，當(dāng)P+N結(jié)上外加反向偏壓時(shí)，即VGS0，耗盡層寬度增加，對(duì)于小的VDS，溝道仍起電阻作用，但由于電流通過(guò)的截面積減小了，溝道電阻變得更大。此時(shí)IDS和VDS的關(guān)系與VGS=0時(shí)兩者關(guān)系類似。只不過(guò)是，曲線的斜率變小，飽和漏源電壓VDSat變小而已。當(dāng)柵壓VG＝－1V時(shí)，初始電流比柵壓VG＝0時(shí)更小。當(dāng)VDS增加某一值時(shí)，兩個(gè)耗盡區(qū)再次相接，這時(shí)的VP值為

2/2/202365半導(dǎo)體器件物理JEFT的轉(zhuǎn)移特性JEFT的轉(zhuǎn)移特性是指漏極電流IDS隨柵極電壓VGS變化的特性。當(dāng)VGS=0時(shí)，漏極電流IDS大于零，而當(dāng)VGS<0，且負(fù)到一定值時(shí)即VGS＝－VP，漏極電流才等于零，此時(shí)整個(gè)溝道被夾斷。JFET的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線不是互相獨(dú)立，而是密切相關(guān)的。事實(shí)上，只要在輸出特性曲線上某一VDS值下作垂線與各條VGS線相交，將對(duì)應(yīng)的VGS值與對(duì)應(yīng)的IDS值連接成一條曲線，即得到轉(zhuǎn)移特性曲線。因此，JFET某一條轉(zhuǎn)移特性曲線是在一定的VDS值下作出來(lái)的。2/2/202366半導(dǎo)體器件物理2、伏安特性（直流電流－電壓特性）JFET在工作時(shí)，柵源電壓和漏源電壓同時(shí)起作用，故溝道中電場(chǎng)、電勢(shì)、電流分布均為二維分布。因此用方程求解電流與電壓的關(guān)系則比較復(fù)雜，肖克萊提出緩變溝道近似模型后，將問(wèn)題變得十分簡(jiǎn)單。該模型是：柵結(jié)耗盡區(qū)中沿垂直結(jié)平面方向的電場(chǎng)分量Ex與沿溝道長(zhǎng)度方向使載流子漂移的電場(chǎng)分量Ey無(wú)關(guān)，且滿足溝道方向電場(chǎng)的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于垂直方向的電場(chǎng)變化。此即為緩變溝道近似理論。這種緩變溝道近似理論是有一定局限性的。它對(duì)于導(dǎo)電溝道夾斷之后就不適用了。2/2/202367半導(dǎo)體器件物理肖克萊模型理論主要假設(shè)如下：①忽略源接觸電極與溝道源端之間、漏電極與溝道漏端之間的電壓降；②P+柵區(qū)與N型溝道區(qū)雜質(zhì)分布都是均勻的，并且P+柵區(qū)濃度NA遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于N型溝道區(qū)濃度ND，即柵結(jié)為單邊突變結(jié)；③溝道中載流子遷移率為常數(shù)；④忽略溝道邊緣擴(kuò)展開(kāi)的耗盡區(qū)，源極和漏極之間的電源只有y分量；⑤在柵結(jié)空間電荷區(qū)中，考慮垂直溝道方向的電場(chǎng)變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溝道方向電場(chǎng)的變化。假定③排除了載流子速度飽和的可能，說(shuō)明溝道夾斷是造成電流飽和的原因。只有對(duì)于溝道中場(chǎng)強(qiáng)很低的長(zhǎng)溝道器件，這一假定才是合理的。假定⑤使得在求柵PN結(jié)耗盡層寬度時(shí)，二維泊松方程化為一維的。假定④使我們求解JFET的電流—電壓方程時(shí)更加簡(jiǎn)單明了。2/2/202368半導(dǎo)體器件物理由于器件柵區(qū)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，我們可以只討論器件的上半部。正常工作時(shí)，源極接地，柵極接負(fù)電位VGS，漏極接正電位VDS，坐標(biāo)取向如圖。圖中h1、h2分別是溝道源端和漏端處耗盡區(qū)的厚度。JFET上半部截面圖2/2/202369半導(dǎo)體器件物理I-V特性方程表達(dá)式為：其中，VP0稱為本征夾斷電壓，即當(dāng)W2=a時(shí)的總電壓(VDS+VG+Vbi)2/2/202370半導(dǎo)體器件物理I-V特性方程也可以表達(dá)為：其中，

即兩個(gè)p＋n結(jié)之間形成的導(dǎo)電溝道之電導(dǎo)。

2/2/202371半導(dǎo)體器件物理注意到，I-V特性有兩個(gè)不同的區(qū)域：①當(dāng)VDS很小時(shí)，溝道截面積基本與VDS無(wú)關(guān)，伏安特性是歐姆性或線性的。稱為線性區(qū)。②當(dāng)VDS>=VDSat時(shí)，電流達(dá)到IDSat。稱為飽和區(qū)。2/2/202372半導(dǎo)體器件物理①線性區(qū)：漏電導(dǎo)（溝道電導(dǎo)）為：

跨導(dǎo)為：

2/2/202373半導(dǎo)體器件物理②飽和區(qū)：理想情況下，IDsat不是VDS的函數(shù)，gD＝0。實(shí)際上，隨著VDS的增加，夾斷點(diǎn)從漏向源端移動(dòng)，有效溝道長(zhǎng)度縮短，因此飽和區(qū)有非零的溝道電導(dǎo)?？鐚?dǎo)為：

2/2/202374半導(dǎo)體器件物理3、直流參數(shù)（1）夾斷電壓VＰ

夾斷電壓是指使導(dǎo)電溝道消失所需加的柵源電壓。JFET溝道厚度隨P＋N結(jié)耗盡層厚度擴(kuò)展而變薄，當(dāng)柵結(jié)上的外加反向偏壓使P+N結(jié)耗盡層厚度等于溝道厚度一半（h=a）時(shí)，整個(gè)溝道被夾斷，即2/2/202375半導(dǎo)體器件物理令Vp0表示溝道夾斷時(shí)，柵結(jié)上的電壓降，亦稱為本征夾斷電壓，而Vp則為溝道夾斷時(shí)所需加的柵源電壓，稱為夾斷電壓，通常情況下不做區(qū)別。此處的負(fù)號(hào)表示柵結(jié)為反向偏置。對(duì)于N溝JFET，Vp0，對(duì)于P溝JFET，Vp0。由此可見(jiàn)，溝道中雜質(zhì)濃度越高及原始溝道越厚，夾斷電壓也越高。2/2/202376半導(dǎo)體器件物理（2）最大飽和漏極電流IDSSIDSS是Vbi-VGS=0時(shí)的漏源飽和電流，又稱最大漏源飽和電流。或由此可見(jiàn)，增大溝道厚度以及增加溝道的寬長(zhǎng)比，可以增大JFET的最大漏極電流。

2/2/202377半導(dǎo)體器件物理（3）最小溝道電阻RminRmin表示VGS=0、且VDS足夠小，即器件工作在線性區(qū)時(shí)，漏源之間的溝道電阻，也稱為導(dǎo)通電阻。對(duì)于耗盡型器件，此時(shí)溝道電阻最小。因而將VGS=0，VDS足夠小時(shí)的導(dǎo)通電阻稱為最小溝道電阻。2/2/202378半導(dǎo)體器件物理由于存在溝道體電阻，漏電流將在溝道電阻上產(chǎn)生壓降。漏極電流在Rmin上產(chǎn)生的壓降稱為導(dǎo)通溝道壓降，Rmin越大，此導(dǎo)通壓降越大，器件的耗散功率也越大。實(shí)際的JFET溝道導(dǎo)通電阻還它包括源、漏區(qū)及其歐姆接觸電極所產(chǎn)生的串聯(lián)電阻RS和RD。它們的存在也將增大器件的耗散功率，所以功率JFET應(yīng)設(shè)法減小Rmin、RS和RD，以改善器件的功率特性。2/2/202379半導(dǎo)體器件物理（4）柵極截止電流IGSS和柵源輸入電阻RGS由于JFET的柵結(jié)總是處于反向偏置狀態(tài)，因此，柵極截止電流就是PN結(jié)少子反向擴(kuò)散電流、勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生電流及表面漏電流的總和。在平面型JFET中，一般表面漏電流較小，截止電流主要由反向擴(kuò)散電流和勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生電流構(gòu)成。其值在10-9－10-12A之間。因此，柵源輸入電阻相當(dāng)高，其值在108Ω以上。但對(duì)功率器件而言，柵截止電流將大大增加。這是因?yàn)楣β势骷┰措妷狠^高，溝道的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，強(qiáng)電場(chǎng)將使漂移通過(guò)溝道的載流子獲得足夠高的能量去碰撞電離產(chǎn)生新的電子一空穴對(duì)，新產(chǎn)生的電子繼續(xù)流向漏極使漏極電流倍增，而空穴則被負(fù)偏置的柵電極所收集，使柵極電流很快增長(zhǎng)。漏極電壓愈高，漏端溝道電場(chǎng)愈強(qiáng)，溝道載流子在漏端產(chǎn)生碰撞電離的電離率愈大，碰撞電離產(chǎn)生出來(lái)的電子一空穴對(duì)愈多。因此，在高漏源偏置的功率JFET中，柵極截止電流往往是很高的。例如，當(dāng)漏源電壓VDS=10V時(shí)，柵電流維持在10-10A數(shù)量級(jí)；而當(dāng)VDS=50V時(shí)，柵電流將增大6個(gè)數(shù)量級(jí)而上升到10-4A。在短溝道器件中，由于溝道電場(chǎng)更強(qiáng)，更容易出現(xiàn)載流子倍增效應(yīng)。

2/2/202380半導(dǎo)體器件物理（5）漏源擊穿電壓BVDS在JFET中,漏端柵結(jié)所承受的反向電壓最大。在溝道較長(zhǎng)器件中，當(dāng)漏端柵結(jié)電壓增加到PN結(jié)反向擊穿電壓時(shí)，漏端所加電壓即為漏源擊穿電壓BVDS。根據(jù)定義，BVDS－VGS=BVB，因此，漏源擊穿電壓式中BVB—柵PN結(jié)反向擊穿電壓；VGS—柵源電壓。

2/2/202381半導(dǎo)體器件物理（6）輸出功率POJFET的最大輸出功率PO正比于器件所能容許的最大漏極電流IDmax和器件所能容許的最高漏源峰值電壓（BVDS-VDSat），即輸出功率：可見(jiàn)，對(duì)于功率JFET來(lái)說(shuō)，不僅要求其電流容量大，擊穿電壓高，且在最高工作電流下具有小的漏源飽和電壓VDSat。2/2/202382半導(dǎo)體器件物理4、交流小信號(hào)參數(shù)（1）跨導(dǎo)gm跨導(dǎo)是場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一個(gè)重要參數(shù)。它標(biāo)志著柵極電壓對(duì)漏極電流的控制能力?？鐚?dǎo)定義為漏源電壓VDS一定時(shí)，漏極電流的微分增量與柵極電壓的微分增量之比，即2/2/202383半導(dǎo)體器件物理非飽和區(qū)跨導(dǎo)飽和區(qū)跨導(dǎo)可見(jiàn)，飽和區(qū)的跨導(dǎo)隨柵壓VGS上升而增大。當(dāng)VGS=Vbi時(shí)，跨導(dǎo)達(dá)其最大值由上式可見(jiàn)，器件的跨導(dǎo)與溝道的寬長(zhǎng)比（Z/L）成正比，所以在設(shè)計(jì)器件時(shí)通常都是依靠調(diào)節(jié)溝道的寬長(zhǎng)比來(lái)達(dá)到所需要的跨導(dǎo)值。2/2/202384半導(dǎo)體器件物理（2）漏電導(dǎo)gD

漏電導(dǎo)表示漏源電壓VDS對(duì)漏電流的控制能力。定義為柵壓一定時(shí)，微分漏電流與微分漏電壓之比，即漏電導(dǎo)2/2/202385半導(dǎo)體器件物理非飽和區(qū)的漏電導(dǎo)線性區(qū)漏電導(dǎo)

上式說(shuō)明JFET飽和區(qū)的跨導(dǎo)等于線性區(qū)的漏電導(dǎo)。2/2/202386半導(dǎo)體器件物理飽和區(qū)的漏電導(dǎo)理想情況下的漏電流與漏源電壓VDS無(wú)關(guān)，飽和區(qū)的漏電導(dǎo)應(yīng)等于零。但實(shí)際上，JFET工作在飽和區(qū)時(shí)，夾斷區(qū)長(zhǎng)度隨VDS的增大而擴(kuò)展，有效溝道長(zhǎng)度則隨VDS的增大而縮短，而溝道長(zhǎng)度縮短必然使溝道電阻減小，因而漏電流將隨漏源電壓的增大而略有上升。因此，實(shí)際JFET的漏電導(dǎo)并不為零。溝道夾斷后，若將漏區(qū)一夾斷區(qū)一溝道區(qū)用單邊突變結(jié)近似，其上壓降為VDS-VDsat，因而夾斷區(qū)長(zhǎng)度

2/2/202387半導(dǎo)體器件物理實(shí)際上夾斷區(qū)隨VDS增大而向漏源兩邊擴(kuò)展，若近似認(rèn)為向源端擴(kuò)展的長(zhǎng)度為1/2L，則有效溝道長(zhǎng)度：

可見(jiàn)，在飽和區(qū)漏電導(dǎo)gDS不等于零，而是一有限值。2/2/202388半導(dǎo)體器件物理5、溝道雜質(zhì)任意分布時(shí)器件的伏安特性實(shí)際JFET的柵結(jié)通常用擴(kuò)散法或離子注入法形成，因此，溝道雜質(zhì)分布一般都不是均勻的。即使薄層外延溝道的MESFET，其溝道摻雜也不完全是均勻的。下面將用電荷控制法分析雜質(zhì)分布對(duì)漏特性的影響，并導(dǎo)出溝道雜質(zhì)非均勻分布時(shí)電流—電壓方程的近似表達(dá)式。2/2/202389半導(dǎo)體器件物理其中2/2/202390半導(dǎo)體器件物理6、高場(chǎng)遷移率的影響以上討論均認(rèn)為溝道中載流子遷移率為常數(shù)。然而在短溝道器件中，這個(gè)條件并不成立。在現(xiàn)代JFET和MESFET中，溝道長(zhǎng)度僅為12m，甚至更短，即使在只有幾伏的漏源電壓下，溝道中的平均場(chǎng)強(qiáng)也可達(dá)10KV/cm以上，靠近漏端的溝道中場(chǎng)強(qiáng)還遠(yuǎn)高于此值。短溝道器件中的這種溝道電場(chǎng)將使器件的特性偏離肖克萊模型的結(jié)論。下面主要討論漂移速度隨電場(chǎng)的變化對(duì)漏極電流和跨導(dǎo)的影響。

2/2/202391半導(dǎo)體器件物理對(duì)于Si，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)很小時(shí)，載流子的漂移速度隨電場(chǎng)的增強(qiáng)而線性增大；電場(chǎng)繼續(xù)增強(qiáng)，漂移速度的上升速度變慢；當(dāng)電場(chǎng)增至約5×104V/cm時(shí)，漂移速度達(dá)飽和值VSL（8.5×106cm/s）。而在GaAs和InP中，隨著電場(chǎng)的增強(qiáng)，電子的漂移速度首先上升到一個(gè)峰值速度Vp，然后再下降并逐漸趨于一飽和值VSL(（6-8）×106cm/s)。漂移速度的這種變化正說(shuō)明載流子的遷移率在強(qiáng)電場(chǎng)下是一個(gè)與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)的變量。近似描述N型溝道中電子遷移率隨電場(chǎng)變化的規(guī)律：式中，NC一低場(chǎng)遷移率；EC一臨界場(chǎng)強(qiáng)。2/2/202392半導(dǎo)體器件物理可得到考慮遷移率隨電場(chǎng)變化的漏極電流表達(dá)式：又有臨界場(chǎng)強(qiáng)EC=VSL/，則：

上式說(shuō)明，強(qiáng)場(chǎng)使遷移率減小，導(dǎo)致漏極電流降至低場(chǎng)值ID的1/(1+VDS/LEC)。另外，從上式還可以看出，溝道長(zhǎng)度越短，器件的飽和漏極電流下降的幅度越大。2/2/202393半導(dǎo)體器件物理7、頻率特性（1）交流小信號(hào)等效電路交流漏極電流此式說(shuō)明，加在柵結(jié)上的信號(hào)電壓vgs，通過(guò)改變柵結(jié)耗盡層寬度的變化來(lái)控制溝道厚度，從而控制溝道的導(dǎo)電能力，使漏極電流id隨vgs的變化而變化。2/2/202394半導(dǎo)體器件物理上面只考慮用柵極調(diào)制的溝道電阻，實(shí)際器件中，靠近源端和漏端存在串聯(lián)電阻，這些電阻引起源漏接觸電極和溝道之間產(chǎn)生電壓降IR，可以認(rèn)為中央?yún)^(qū)截面是“本征”JFET。

具有串聯(lián)電阻的JFET端跨導(dǎo)和端溝道電導(dǎo)分別為2/2/202395半導(dǎo)體器件物理（2）頻率參數(shù)JFET的頻率參數(shù)主要有兩個(gè)。一個(gè)是特征頻率fT，另一個(gè)是最高振蕩頻率fm。①特征頻率fT

fT的定義為在共源等效電路中，在輸出端短路條件下，通過(guò)輸入電容的電流等于輸出漏極電流時(shí)的頻率。也就是電流放大系數(shù)等于1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。因此，fT也稱為共源組態(tài)下的增益一帶寬乘積。

2/2/202396半導(dǎo)體器件物理由于gm和Cgs都隨柵壓變化，使得fT也隨柵壓改變。當(dāng)跨導(dǎo)達(dá)到最大值gmmax=G0，柵源輸入電容達(dá)到最小值Cgsmin時(shí)，特征頻率fT達(dá)到最大值，即可見(jiàn)，遷移率μ愈大，溝道長(zhǎng)度愈短，則fT愈高。2/2/202397半導(dǎo)體器件物理但特征頻率隨溝道長(zhǎng)度的縮短而提高并不是沒(méi)有限制的。一是渡越時(shí)間限制，因?yàn)檩d流子從源端到漏端需要一定的渡越時(shí)間，在弱場(chǎng)情況下，μ為常數(shù)，渡越時(shí)間因此，由渡越時(shí)間τ大小決定的JFET的工作頻率為渡越時(shí)間截止頻率

另一個(gè)限制是短溝道器件中載流子漂移速度達(dá)到飽和時(shí)的限制。此時(shí)，τL/VSL，由此，得到

2/2/202398半導(dǎo)體器件物理②最高振蕩頻率fmfm的定義為當(dāng)JFET輸入和輸出均共軛匹配時(shí)，共源功率增益為1時(shí)的頻率。可以證明

其中，

2/2/202399半導(dǎo)體器件物理由上面分析可見(jiàn)，器件的特征頻率fT越高，最高振蕩頻率fm也越高。而器件的頻率特性由它自身的幾何尺寸和材料參數(shù)決定。另外，由于電子遷移率大于空穴遷移率，因此，不論是Si還是GaAs材料，微波器件都采用N溝FET的結(jié)構(gòu)。再由于GaAs材料中低場(chǎng)電子遷移率又比Si的低場(chǎng)遷移率大約高五倍，所以，GaAs器件的頻率特性又優(yōu)于Si器件。要想得到高的fm，除了提高fT外，還必須使電阻比值r1達(dá)到最佳值，將寄生電阻RG、RS和反饋電容Cgd減到最小。2/2/2023100半導(dǎo)體器件物理8、飽和溝道電導(dǎo)和擊穿電壓在線性區(qū)，漏電導(dǎo)比理想的要小，這是由于串聯(lián)電阻造成的。在飽和區(qū)電流恒定的近似是合理的，但實(shí)際上電流略微向上傾，即相應(yīng)于非零溝道電導(dǎo)，這是由于有效溝道長(zhǎng)度縮短。隨著漏源電壓繼續(xù)增加，最終導(dǎo)致器件進(jìn)入雪崩擊穿狀態(tài)，這時(shí)器件上所加的漏端柵結(jié)上的反向偏置電壓等于雪崩擊穿電壓BVB，此時(shí)的漏源電壓稱為漏源擊穿電壓BVDS，因而顯然，漏源擊穿電壓隨柵源反偏電壓的增大而減小。2/2/2023101半導(dǎo)體器件物理JFET特點(diǎn)①是電壓控制型器件，不需要大的輸入信號(hào)功率。②是多數(shù)載流子導(dǎo)電的單極器件，無(wú)少子存儲(chǔ)與擴(kuò)散問(wèn)題，速度高，噪音系數(shù)低；而且漏極電流Ids的溫度關(guān)系決定于載流子遷移率的溫度關(guān)系，則電流具有負(fù)的溫度系數(shù)，器件具有自我保護(hù)的功能。③輸入端是反偏的p-n結(jié),輸入阻抗大,便于匹配。④輸出阻抗也很大,呈現(xiàn)為恒流源，這與BJT大致相同。⑤JFET一般是耗盡型的，但若采用高阻襯底,也可得到增強(qiáng)型JFET(增強(qiáng)型JFET在高速、低功耗電路中很有應(yīng)用價(jià)值)；但是一般只有短溝道的JFET才是能很好工作的增強(qiáng)型器件。⑥溝道處于半導(dǎo)體內(nèi)部，則溝道中的載流子不受半導(dǎo)體表面的影響，因此遷移率較高、噪聲較低。2/2/2023102半導(dǎo)體器件物理靜電感應(yīng)晶體管

SIT(StaticInductionTransistor)

實(shí)際上就是一種短溝道的JFET。SIT誕生于1970年，作為高低頻大功率器件，可用于高保真度的音響設(shè)備、電源、電機(jī)控制、通信機(jī)、以及雷達(dá)、導(dǎo)航和各種電子儀器中。工作原理：源漏電流受柵極上的外加垂直電場(chǎng)控制的垂直溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其溝道區(qū)摻雜濃度低，溝道長(zhǎng)度短，輸出特性表現(xiàn)為非飽和型三極管特性。2/2/2023103半導(dǎo)體器件物理SIT的優(yōu)點(diǎn)和雙極型晶體管相比，SIT具有以下的優(yōu)點(diǎn)：①線性好、噪聲小。用SIT制成的功率放大器,在音質(zhì)、音色等方面均優(yōu)于BJT。②輸入阻抗高、輸出阻抗低，可直接構(gòu)成OTL電路。③SIT是一種無(wú)基區(qū)晶體管，沒(méi)有基區(qū)少數(shù)載流子存儲(chǔ)效應(yīng)，開(kāi)關(guān)速度快。④它是一種多子器件，在大電流下具有負(fù)溫度系數(shù)，器件本身有溫度自平衡作用，抗燒毀能力強(qiáng)。⑤無(wú)二次擊穿效應(yīng)，可靠性高。⑥低溫性能好，在-19℃下工作正常。⑦抗輻照能力比雙極晶體管高50倍以上。2/2/2023104半導(dǎo)體器件物理§4.5 肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET）MESFET的工作原理與JFET相同，是用肖特基勢(shì)壘金半接觸代替JFET的PN結(jié)做柵電極，通過(guò)其耗盡層厚度改變來(lái)調(diào)制電流通道（導(dǎo)電溝道）的橫截面，而且其電學(xué)性質(zhì)與JFET相仿。所以把它與JFET歸為一類討論。GaAsMESFET最早在1966年發(fā)明，與JFET相比，MESFET在工藝制作和特性方面有某些優(yōu)點(diǎn)。金半接觸勢(shì)壘在低溫下形成，而pn結(jié)要在高溫下采用擴(kuò)散或生長(zhǎng)工藝制造，因此可以采用GaAs這樣電子遷移率高和飽和速度大的化合物半導(dǎo)體材料，來(lái)得到開(kāi)關(guān)速度快和使用頻率高的器件。GaAs與硅相比，電子遷移率大5倍，峰值漂移速度大一倍，所以GaAsMESFET在高頻領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。它在工作頻率、低噪聲、高飽和電平、高可靠性等方面大大超過(guò)了硅微波雙極晶體管，最高頻率可達(dá)60GHz。2/2/2023105半導(dǎo)體器件物理1、基本結(jié)構(gòu)在半絕緣襯底上的外延層上制成,以減小寄生電容（溝道－襯底電容）和便于器件之間的隔離。柵極金屬一般用難熔金屬（TiW合金）同時(shí)充當(dāng)源漏接觸區(qū)的掩膜，使源漏接觸盡可能靠近柵極，以減小溝道兩端的串聯(lián)電阻。溝道長(zhǎng)度L，溝道寬度Z，溝道深度a2/2/2023106半導(dǎo)體器件物理器件類型及分類：按溝道材料分為：n溝MESFET、p溝MESFET按零柵壓時(shí)器件的工作狀態(tài)分為：耗盡型、增強(qiáng)型。耗盡型器件：柵壓等于0時(shí)，已存在導(dǎo)電溝道的器件；（常開(kāi)NO）增強(qiáng)型器件：柵壓等于0時(shí)，不存在導(dǎo)電溝道的器件。（常關(guān)NC）2/2/2023107半導(dǎo)體器件物理2、夾斷電壓和閾值電壓設(shè)n-GaAs層均勻摻雜，根據(jù)單邊突變結(jié)p＋-n結(jié)的理論，肖特基結(jié)的耗盡層厚度為：當(dāng)h＝a時(shí)，勢(shì)壘耗盡層邊界和襯底接觸，相應(yīng)的總電勢(shì)稱為夾斷電壓2/2/2023108半導(dǎo)體器件物理忽略串聯(lián)電阻作用，在溝道源端V(y=0)=0，使耗盡層邊界和襯底接觸的臨界柵壓為： VT=Vbi-Vp，或Vbi=VT＋Vp其中，VT稱為閾值電壓。只有VGS超過(guò)VT，器件才會(huì)有導(dǎo)電溝道，進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。如果半導(dǎo)體n-GaAs層厚度a很小或摻雜很低，則VGS＝0時(shí)器件因自建電壓Vbi的作用在源端夾斷，而不存在導(dǎo)電溝道，只有在超過(guò)VT的正柵壓下才能導(dǎo)通，稱為增強(qiáng)型器件。如果a比較大或摻雜較高，VGS＝0時(shí)已經(jīng)存在導(dǎo)電溝道，稱為耗盡型器件，只有在比VT更負(fù)的柵壓下才能截止。2/2/2023109半導(dǎo)體器件物理3、電流電壓特性（1）恒定遷移率模型假定VDS不是很高，沿溝道方向的電場(chǎng)強(qiáng)度處處低于速度飽和電場(chǎng)，電流和電壓關(guān)系滿足歐姆定律。由此推導(dǎo)出漏電流的表達(dá)式：其中，h1為溝道源端耗盡層厚度，h2為溝道漏端耗盡層厚度。

2/2/2023110半導(dǎo)體器件物理又可表達(dá)為：其中，這里考慮MESFET只有上溝道，沒(méi)有下溝道，因此Ip取JFET的1/2Ip。2/2/2023111半導(dǎo)體器件物理耗盡型和增強(qiáng)型器件的基本I-V特性相類似，主要區(qū)別在于閾值電壓VT隨VGS移動(dòng)。I-V特性分為：①線性區(qū)，VDS很小時(shí)，溝道截面積基本與VDS無(wú)關(guān)，I-V特性是歐姆性的或線性的；②飽和區(qū)，VDS>>VDsat時(shí)，電流達(dá)到飽和值IDsat。③隨著VDS的進(jìn)一步增加，最終導(dǎo)致柵-溝道二極管發(fā)生雪崩擊穿，IDS突然增大，稱為雪崩擊穿區(qū)。2/2/2023112半導(dǎo)體器件物理①線性區(qū)：漏電導(dǎo)（溝道電導(dǎo)）為：

跨導(dǎo)為：

2/2/2023113半導(dǎo)體器件物理②飽和區(qū)：理想情況下，IDsat不是VDS的函數(shù)，gD＝0。實(shí)際上，隨著VDS的增加，夾斷點(diǎn)從漏向源端移動(dòng)，有效溝道長(zhǎng)度縮短，因此飽和區(qū)有非零的溝道電導(dǎo)。跨導(dǎo)為：

2/2/2023114半導(dǎo)體器件物理③雪崩擊穿區(qū)：發(fā)生在溝道漏端，這里柵溝道結(jié)的反向電壓最高，這時(shí)漏電壓VDS和反向擊穿電壓VB有： VB＝VDS－VGS。2/2/2023115半導(dǎo)體器件物理（2）飽和速度模型FET的溝道長(zhǎng)度減小到1μm以下，沿溝道的電場(chǎng)通常很強(qiáng)，以致漏極電流飽和，并非由于溝道夾斷，而是因?yàn)殡娮悠扑俣冗_(dá)到飽和。假定溝道電子以恒定的有效飽和漂移速度vSL運(yùn)動(dòng)（大約1.2×107cm/s），從而飽和電流直接受耗盡層厚度h和溝道深度a之差調(diào)制，這就是飽和速度模型，能精確描述柵長(zhǎng)在0.5~2μm的短溝道GaAsMESFET在飽和區(qū)的電流特性。2/2/2023116半導(dǎo)體器件物理對(duì)均勻摻雜材料，由速度飽和模型可得：則器件的本征跨導(dǎo)為：

2/2/2023117半導(dǎo)體器件物理4、MESFETI-V模型

（1）改進(jìn)的I－V模型電路模擬建立在IV模型，是在對(duì)溝道電荷統(tǒng)一描述的基礎(chǔ)上的“普適”模型。MOSFET、MESFET和HFET還需要考慮源、漏串聯(lián)電阻對(duì)偏壓的依賴關(guān)系，體電荷效應(yīng)，平均低電場(chǎng)遷移率對(duì)偏壓的依賴關(guān)系，參數(shù)對(duì)溫度的關(guān)系等。短溝道的FET中，漏極偏壓會(huì)影響器件的閾值電壓，DIBL效應(yīng)（簡(jiǎn)單的描述為，VT0為漏源電壓為0時(shí)的閾值電壓，σ為DIBL系數(shù)）。GaAsMESFET具有許多非理想的特性，輸出電導(dǎo)對(duì)頻率的依賴，背柵和側(cè)柵偏置，扭曲效應(yīng)，光敏效應(yīng)等，因此需要進(jìn)一步研究半絕緣襯底，控制效應(yīng)，可以提高集成規(guī)模和可靠性，增大設(shè)計(jì)的自由度。2/2/2023118半導(dǎo)體器件物理（2）C－V模型對(duì)FET的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行模擬，清楚器件中存貯電荷的變化，柵極和柵下面的耗盡層中貯存有電荷，只考慮與MESFET本征電荷相關(guān)的電容。源漏有偏壓時(shí)，柵壓的耗盡層電荷沿溝道分布不均勻。因此柵和半導(dǎo)體之間的耦合電容存在一定分布，使溝道類似RC傳輸線，但由于柵很短，帶寬有限，通常用集中電容模型描述本征器件的分布電容，有時(shí)候還要考慮與耗盡區(qū)擴(kuò)展相關(guān)聯(lián)的電容以及其它寄生電容等因素的影響。要得到本征MESFET電容的精確模型，需對(duì)耗盡電荷的空間分布隨外加電壓的變化進(jìn)行分析，另外還需要對(duì)溝道電荷隨之變化進(jìn)行精確分析，電荷守恒的問(wèn)題可通過(guò)溝道電荷在源漏端的分配自動(dòng)解決。關(guān)于完整的模型可見(jiàn)具體文獻(xiàn)。2/2/2023119半導(dǎo)體器件物理（3）SPICE中的MESFET模型AIM－SPICE中MESFET模型參數(shù)例子：柵長(zhǎng)L，柵寬W，發(fā)射系數(shù)N，漏極電阻RD，源極電阻RS，飽和速度VS，低場(chǎng)遷移率，溝道厚度D，閾值電壓VTO，膝形系數(shù)M，輸出電導(dǎo)系數(shù)LAMBDA，DIBL系數(shù)1SIGMAO，系數(shù)2VSIGMAT，系數(shù)3VSIGMA。2/2/2023120半導(dǎo)體器件物理5、頻率特性截止頻率fT定義為該頻率下器件不再放大輸入信號(hào)，這時(shí)輸入柵電容的電流等于漏端輸出電流。輸入電流為：輸出電流為：由定義得：則

其中CG＝CGS＋CGD，CGS是柵源之間的結(jié)電容，CGD是柵漏之間的結(jié)電容。

2/2/2023121半導(dǎo)體器件物理設(shè)柵溝道二極管的平均耗盡層厚度為a/2，則柵電容為：提高截止頻率應(yīng)該有大的跨導(dǎo)gm和小的柵電容CG，即采用高載流子遷移率和短溝道長(zhǎng)度的MESFET。頻率響應(yīng)主要受兩個(gè)因素限制：載流子渡越溝道時(shí)間和肖特基勢(shì)壘柵的RC時(shí)間常數(shù)。2/2/2023122半導(dǎo)體器件物理其中，渡越時(shí)間其中Lg為柵長(zhǎng)，μ0為恒定的低場(chǎng)遷移率，V0為外加漏源電壓。對(duì)短?hào)臛aAs－MESFET，高電場(chǎng)下載流子速度飽和，飽和漂移速度為vSL，則截止頻率和渡越時(shí)間的關(guān)系：

MESFET的高頻限制與器件尺寸及材料參數(shù)有關(guān)，其中遷移率和柵長(zhǎng)最重要。2/2/2023123半導(dǎo)體器件物理6、大功率特性一般微波晶體管主要指標(biāo)是截止頻率和噪聲系數(shù)，功率晶體管主要指標(biāo)是功率增益和效率。最大可用功率增益為：其中f為工作頻率，fT為截止頻率，gd為漏電導(dǎo)，RS為源串聯(lián)電阻，Ri為源漏間溝道電阻，LS為共源引線電感，CDS是米勒反饋電容。2/2/2023124半導(dǎo)體器件物理提高M(jìn)ESFET輸出功率，有以下主要的工藝措施： ①增加?xùn)艠O寬度提高飽和漏電流②提高肖特基勢(shì)壘柵的擊穿電壓，包括a選擇外延的方法分別在源和漏引入低阻N＋接觸層，b用雙層外延制備高阻緩沖層，然后再外延高濃度有源層，c腐蝕凹柵。③盡可能減小熱阻④提高功率增益?？s小柵長(zhǎng)降低歐姆接觸電阻和改善截止頻率fT