半導(dǎo)體器件物理金屬

本文格式為Word版，下載可任意編輯——半導(dǎo)體器件物理金屬第八章金屬/半導(dǎo)體接觸和MESFET

自從Lilienfeld和Heil在1930年提出場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的概念起，直到20世紀(jì)50年代半導(dǎo)體材料工藝發(fā)展到一定水平后才做出了可以實(shí)際工作的器件。所謂場(chǎng)效應(yīng)就是利用電場(chǎng)來(lái)調(diào)制材料的電導(dǎo)能力，從而實(shí)現(xiàn)器件功能。除了前面探討過(guò)的MOS、MNOS、MAOS、MFS等都屬于場(chǎng)效應(yīng)器件外,還發(fā)展了結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(J-FET),肖特基勢(shì)壘柵場(chǎng)效應(yīng)管（MESFET）等。本章從金屬與半導(dǎo)體接觸出發(fā)，探討MESFET的結(jié)構(gòu)和工作原理。

8.1.肖特基勢(shì)壘和歐姆接觸8.1.1.肖特基勢(shì)壘

當(dāng)金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)，由于金屬的功函數(shù)與半導(dǎo)體的功函數(shù)不同，在接觸的界面處存在接觸電勢(shì)差，就會(huì)形成勢(shì)壘，尋常稱為肖特基勢(shì)壘。下面以金屬與n型半導(dǎo)體接觸為例來(lái)探討肖特基勢(shì)壘的特性。

(1)理想狀況：假定接觸處的半導(dǎo)體表面不存在表面態(tài)，圖8.1(a)是金屬與半導(dǎo)體接觸前的能帶圖(非平衡條件下，其中qφm和qφ

S

分別為金屬和半導(dǎo)體的功

1

圖8.1

函數(shù)，qχ為半導(dǎo)體的電子親和（勢(shì)）能。功函數(shù)定義為將一個(gè)電子從Fermi能級(jí)移到材料外面（真空能級(jí)）所需要的能量，電子親和能是將一個(gè)電子從導(dǎo)帶底移到真空能級(jí)所需要的能量。

當(dāng)金屬與半導(dǎo)體接觸時(shí)，由于費(fèi)米能級(jí)有區(qū)別，電子要從Fermi能級(jí)較高的n型半導(dǎo)體一邊流向Fermi能級(jí)較低的金屬一邊，最終達(dá)到平衡，即兩者的Fermi能級(jí)相平，如圖8.1(b)所示。這時(shí)形成了金/半接觸的勢(shì)壘，該勢(shì)壘高度就是金屬一邊的電子要進(jìn)入半導(dǎo)體必需戰(zhàn)勝的勢(shì)壘高度。由圖可見(jiàn)，在理想狀況下，勢(shì)壘高度應(yīng)為金屬功函數(shù)和半導(dǎo)體電子親和能之差：qφ

Bn=qφm-qχ(8.1.1)

n型半導(dǎo)體的內(nèi)建電勢(shì)差Vbi為（也等于兩邊費(fèi)米能級(jí)之差）：

Vbi=φm-φS(8.1.2)

令n型半導(dǎo)體的Fermi勢(shì)為ψF，則金/半接觸勢(shì)壘高度與半導(dǎo)體自建電壓的關(guān)系為:qφ

Bn=qVbi+（Eg/2-qψF）(8.1.3)

由于n型金屬一邊的電子流向金屬，因此半導(dǎo)體一邊將帶正電，金屬一邊將有負(fù)的表面電荷。形成的表面電場(chǎng)的方向是從半導(dǎo)體一邊指向外邊（指向金屬），相當(dāng)于半導(dǎo)體表面勢(shì)為負(fù)，半導(dǎo)體電勢(shì)能從表面向內(nèi)減小,半導(dǎo)體表面能帶向上彎曲。這種金/半接觸形成的結(jié)與P+-N結(jié)的狀況很相像。半導(dǎo)體表面勢(shì)壘區(qū)的寬度主要決定于n型半導(dǎo)體的摻雜濃度，這是由于根據(jù)電中性條件半導(dǎo)體中所帶的正電荷與金屬中的負(fù)電荷相等，而半導(dǎo)體中正的施主電離雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)小于金屬中電子的濃度，由qAWmn=qAWND知，Wmqφ0，這時(shí)體內(nèi)有一部分電子會(huì)去填充表面能級(jí)，使表面能級(jí)的電子填充水平高于qφ0，因此表面帶負(fù)電，而靠半導(dǎo)體內(nèi)部的一層因少掉電子而帶正電。這樣，在熱平衡時(shí)EFn與qφ0近似相平，在半導(dǎo)體表面一薄層內(nèi)就形成一個(gè)空間電荷區(qū)，即勢(shì)壘區(qū)，表面電場(chǎng)的方向是從半導(dǎo)體內(nèi)部指向表面，而能帶正好相反，即表面能帶上彎。如圖8.4所示：

?界面層的影響:

在制備半導(dǎo)體表面時(shí)，不可避免會(huì)形成很薄的氧化層或有些雜質(zhì)沾污，它們夾在金屬/