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级所需要的能量。
当金属与半导体接触时，由于费米能级有差别，电子要从Fermi能级较高的n型半导体一边流向Fermi能级较低的金属一边，最后达到平衡，即两者的Fermi能级相平，如图8.1(b)所示。这时形成了金/半接触的势垒，该势垒高度就是金属一边的电子要进入半导体必须克服的势垒高度。由图可见，在理想情况下，势垒高度应为金属功函数和半导体电子亲和能之差： qφ
Bn=qφm-qχ
(8.1.1)
n型半导体的内建电势差Vbi为（也等于两边费米能级之差）：
Vbi=φm-φS (8.1.2)
令n型半导体的Fermi势为ψF，则金/半接触势垒高度与半导体自建电压的关系为: qφ
Bn=qVbi+（Eg/2 - qψF）
(8.1.3)
由于n型金属一边的电子流向金属，因此半导体一边将带正电，金属一边将有负的表面电荷。形成的表面电场的方向是从半导体一边指向外边（指向金属），相当于半导体表面势为负，半导体电势能从表面向内减小, 半导体表面能带向上弯曲。这种金/半接触形成的结与P+-N结的情况很相似。半导体表面势垒区的宽度主要决定于n型半导体的掺杂浓度，这是因为根据电中性条件半导体中所带的正电荷与金属中的负电荷相等，而半导体中正的施主电离杂质浓度远小于金属中电子的浓度，由qAWmn=qAWND知，Wm< 2 金/半接触的势垒宽度可以通过求解泊松方程的方法得到： d2ψ/dx 2=-ρ/ε0ε (8.1.4) ρ=qND (在W内) =0 (在W外) (8.1.5) 边界条件为： (1) ψ(x=0)=0 ψ(x=W)=Vbi (8.1.6) (2) E(x=W)=0 (图8.1(d)) 可以解得 W=[2ε0εVbi /qND]1/2 在外加电压V时，上式成为： W=[2ε0ε(Vbi-V) /qND]1/2 (8.1.7) 正偏时V取正值，反偏时V取负值。 半导体内单位面积正空间电荷的值由图8.1(c) 可知为: QSC=qNDW=[2qε0εND(Vbi-V)]1/2 (8.1.8) 单位面积耗尽层（势垒）电容为: C=dQSC/dV =[ qε0εND/2(Vbi-V)] 1/2 (8.1.8’) 它的量纲是F/cm2。 对于金属与P型半导体接触的情况可以用完全相同的方法进行讨论。如图8.2所示， qφ Bp=qVbi+(EG/2-qψF) (8.1.9) 3 ? 反阻挡接触: 上面2种情况形成金/半接触势垒（阻挡接触）的条件是n型半导体的功函数比金属的功函数小，以及p型半导体的功函数比金属的大。如果n型半导体与功函数比它小的金属接触，或者p型半导体与功函数比它大的金属接触，在简单模型情况下，二者都不会形成势垒区（或阻挡层），而是形成高电导的所谓反阻挡层。例如当qφm< qφS形成接触时，金属一边的电子会流向n型半导体一边，n型半导体表面将造成电子的积累，这是高电导区。而金属一边因失去电子而带正电，这时在金/半接触区也有电场形成，其方向是从金属指向半导体，因此半导体表面能带下弯，正说明电子积累。按照简单模型,可得出下表所述的结论： ｎ型半导体 p型半导体 金属功函数大 阻挡层 反阻挡层 金属功函数小 反阻挡层 阻挡层 (2) 实际金/半接触势垒---表面态和界面层的影响 4 ? 表面态的影响: 在实际的金/半接触中，由于晶格不连续，半导体表面的情况与体内不同，在半导体表面必定存在大量表面态（或称界面态）。通常这些表面态处于禁带内，几乎是连续分布的。为了描述表面态，引进一个表面中性能级（或称表面Fermi能级）qφ0。当qφ0以下的表面能级全部被电子占有，而其以上的表面态全部空时，半导体表面是中性的；当低于qφ0的表面态空时（缺少电子）表面带正电，它的作用与施主能级相类似；当高于qφ0的表面态有电子时，半导体表面带负电，它的作用类似于受主。如果qφ0与半导体的Fermi能级重合，则表面态和半导体内部没有电子交换。实际上对于n型半导体，如果EFn> qφ0，这时体内有一部分电子会去填充表面能级，使表面能级的电子填充水平高于 qφ0，因此表面带负电，而靠半导体内部的一层因少掉电子而带正电。这样，在热平衡时EFn与qφ0近似相平，在半导体表面一薄层内就形成一个空间电荷区，即势垒区，表面电场的方向是从半导体内部指向表面，而能带正好相反，即表面能带上弯。如图8.4所示： ? 界面层的影响: 在制备半导体表面时，不可避免会形成很薄的氧化层或有些杂质沾污，它们夹在金属/半导体之间形成一个界面层。在与金属接触之前，表面态的密度显然要比清洁表面的时候小得多。接触时由于EFn较高，体 5