半導(dǎo)體物理與器件基礎(chǔ)知識(shí)

1、9金屬半導(dǎo)體與半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)一、肖特基勢(shì)壘二極管歐姆接觸：通過金屬-半導(dǎo)體的接觸實(shí)現(xiàn)的連接。接觸電阻很低。金屬與半導(dǎo)體接觸時(shí)，在未接觸時(shí)，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)高于金屬的費(fèi)米能級(jí)，接觸后，半導(dǎo)體的電子流向金屬，使得金屬的費(fèi)米能級(jí)上升。之間形成勢(shì)壘為肖特基勢(shì)壘。在金屬與半導(dǎo)體接觸處，場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到最大值，由于金屬中場(chǎng)強(qiáng)為零，所以在金屬半導(dǎo)體結(jié)的金屬區(qū)中存在表面負(fù)電荷。影響肖特基勢(shì)壘高度的非理想因素：肖特基效應(yīng)的影響，即勢(shì)壘的鏡像力降低效應(yīng)。金屬中的電子鏡像到半導(dǎo)體中的空穴使得半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)程下降曲線。附圖：電流電壓關(guān)系：金屬半導(dǎo)體結(jié)中的電流運(yùn)輸機(jī)制不同于pn結(jié)的少數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)決定電流，而是取決于多數(shù)載

2、流子通過熱電子發(fā)射躍遷過內(nèi)建電勢(shì)差形成。附肖特基勢(shì)壘二極管加反偏電壓時(shí)的I-V曲線： 反向電流隨反偏電壓增大而增大是由于勢(shì)壘降低的影響。肖特基勢(shì)壘二極管與Pn結(jié)二極管的比較：1.反向飽和電流密度（同上），有效開啟電壓低于Pn結(jié)二極管的有效開啟電壓。2.開關(guān)特性肖特基二極管更好。應(yīng)為肖特基二極管是一個(gè)多子導(dǎo)電器件，加正向偏壓時(shí)不會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散電容。從正偏到反偏時(shí)也不存在像Pn結(jié)器件的少數(shù)載流子存儲(chǔ)效應(yīng)。二、金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸附金屬分別與N型p型半導(dǎo)體接觸的能帶示意圖三、異質(zhì)結(jié)：兩種不同的半導(dǎo)體形成一個(gè)結(jié)小結(jié)：1.當(dāng)在金屬與半導(dǎo)體之間加一個(gè)正向電壓時(shí)，半導(dǎo)體與金屬之間的勢(shì)壘高度降低，電子很容易從半

3、導(dǎo)體流向金屬，稱為熱電子發(fā)射。2.肖特基二極管的反向飽和電流比pn結(jié)的大，因此達(dá)到相同電流時(shí)，肖特基二極管所需的反偏電壓要低。10雙極型晶體管雙極型晶體管有三個(gè)摻雜不同的擴(kuò)散區(qū)和兩個(gè)Pn結(jié)，兩個(gè)結(jié)很近所以之間可以互相作用。之所以成為雙極型晶體管，是應(yīng)為這種器件中包含電子和空穴兩種極性不同的載流子運(yùn)動(dòng)。一、工作原理 附npn型和pnp型的結(jié)構(gòu)圖發(fā)射區(qū)摻雜濃度最高，集電區(qū)摻雜濃度最低附常規(guī)npn截面圖造成實(shí)際結(jié)構(gòu)復(fù)雜的原因是：1.各端點(diǎn)引線要做在表面上，為了降低半導(dǎo)體的電阻，必須要有重?fù)诫s的N+型掩埋層。2.一片半導(dǎo)體材料上要做很多的雙極型晶體管，各自必須隔離，應(yīng)為不是所有的集電極都是同一個(gè)電位。

4、通常情況下，BE結(jié)是正偏的，BC結(jié)是反偏的。稱為正向有源。附圖：由于發(fā)射結(jié)正偏，電子就從發(fā)射區(qū)越過發(fā)射結(jié)注入到基區(qū)。BC結(jié)反偏，所以在BC結(jié)邊界，理想情況下少子電子濃度為零。附基區(qū)中電子濃度示意圖：電子濃度梯度表明，從發(fā)射區(qū)注入的電子會(huì)越過基區(qū)擴(kuò)散到BC結(jié)的空間電荷區(qū)，那里的電場(chǎng)會(huì)將電子掃到集電區(qū)。我們希望更多的電子能夠進(jìn)入集電區(qū)而不是在基區(qū)和多子空穴復(fù)合。因此和少子擴(kuò)散長(zhǎng)度相比，基區(qū)寬度必須很小。工作模式：附共發(fā)射極電路中npn型雙極型晶體管示意圖1.如果BE電壓為零或者小于零（反偏），那么發(fā)射區(qū)中的多子電子就不會(huì)注入到基區(qū)。由于BC也是反偏的，這種情況下，發(fā)射機(jī)電流和集電極電流是零。稱為截

5、至狀態(tài)。2.隨著BE結(jié)電壓增大，集電極電流會(huì)增大，從而集電極上電阻分壓Vr增大，意味著在晶體管CB上分壓絕對(duì)值減??；在某一點(diǎn)出，集電極電流會(huì)增大到組后大使得電阻分壓后再BC結(jié)零偏。過了這一點(diǎn)后，集電極電流微笑增加會(huì)導(dǎo)致Vr微小增加，從而使BC結(jié)變?yōu)檎╒cb<0）。稱為飽和。飽和時(shí)，BE結(jié)和BC結(jié)都是正偏的，集電極電流不受BE結(jié)電壓。附雙極型晶體管共發(fā)射極的電流電壓特性，添加了負(fù)載線：Ic=0時(shí)晶體管處于截至區(qū)。當(dāng)基極電流變化時(shí)，集電極電流沒有變化，處于飽和區(qū)。當(dāng)Ic=Ib成立時(shí)，晶體管處于正向有源區(qū)。小結(jié)：1.基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)（厄爾利效應(yīng)）：中性基區(qū)寬度隨BC結(jié)電壓變化而發(fā)生變化，于

6、是集電極電流隨BC結(jié)或CE結(jié)電壓變化而變化。2.大注入效應(yīng)使得集電極電流隨CE結(jié)電壓增加而低速率增加。11金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)MOSFET的核心是MOS電容。在半導(dǎo)體中，由于施加了一個(gè)穿過MOS電容的電壓，氧化物-半導(dǎo)體界面的能帶將發(fā)生彎曲。其費(fèi)米能級(jí)是該電壓的函數(shù)，因此通過適當(dāng)?shù)碾妷嚎梢允沟冒雽?dǎo)體表面的特性從p型轉(zhuǎn)換為N型，或n型轉(zhuǎn)換為p型。附基本mos電容結(jié)構(gòu)平帶電壓：使半導(dǎo)體內(nèi)部沒有能帶彎曲所加的柵壓。閾值電壓：達(dá)到閾值反型點(diǎn)所需要的柵壓。 閾值反型點(diǎn)：表面勢(shì)Øs為兩倍的Øf（費(fèi)米能級(jí)與本征費(fèi)米能級(jí)之差）的狀態(tài).當(dāng)小于閾值電壓時(shí)，未強(qiáng)反型，溝道未形成，

7、截至；大于等于閾值電壓時(shí)，強(qiáng)反型，溝道形成，導(dǎo)通。閾值電壓大于零，為增強(qiáng)型，零柵壓時(shí)未反型。閾值電壓小于零，為耗盡型，零柵壓時(shí)已反型。 對(duì)于p型襯底的Mos,能使反型層電荷密度改變的來(lái)源有：1.來(lái)自空間電荷區(qū)P型襯底的少子電子的擴(kuò)散；2.熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)。界面態(tài)：半導(dǎo)體在界面處的周期突然停止，使得電子能級(jí)存在于禁帶中，這些允許的能太稱為界面態(tài)。三、MOSFET的基本工作原理附N溝增強(qiáng)型MOSFET和耗盡型的剖面圖：（注意電路符號(hào)）附I(D)-V(GS)曲線的原理圖附n溝增強(qiáng)型MOSFET的特性曲線當(dāng)V(DS)大于閾值電壓時(shí)，溝道中反型電荷為零的點(diǎn)移向愿端。此時(shí)電子從源端進(jìn)入溝道，通過溝道流向漏端。在電荷為零的點(diǎn)處，電子被注入空間電荷區(qū)，并被電場(chǎng)掃向漏端。附n溝耗盡型MOSFET的特性曲線亞閾值電導(dǎo)是指在MOSFET中當(dāng)柵源電壓小于閾值電壓時(shí)漏電流不為零。這種情況下，晶體管被偏置在弱反型模式下，漏電流是由擴(kuò)散機(jī)制而非漂移機(jī)制控制。該電導(dǎo)會(huì)在集成電路中產(chǎn)生一個(gè)明顯的靜態(tài)偏置電流。13結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管PnJEFT的基本工作原理以N溝為例，多數(shù)載流子電子自源極流向漏極，器