q[(Vs )0 V ]
V 与 (Vs)0 同符号时，阻挡层势垒提高 V 与 (Vs)0 反符号时，阻挡层势垒下降
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因 Vs<0， V, 势垒下降越多， 正向电流越大
qns
－q[(Vs)0+V] qV
(b) V > 0
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金属中的电子要越过很高的势垒 qns，所以反向电 流很小。 同时qns不随V变，所以从金到半的电子流恒定。

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对于GaAs肖特基二极管，这个
开启电压的典型值是0.7V。 因此Vds电压必须低于这个开启 电压。 从而导致要想制造包含大量增强 型MESFET的电路非常的困难。
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GaAs MESFETs 在微波电路中有着普遍 广泛和重要的应用。 实际上，直到80年代，几乎所有的微波集 成电路都是GaAs MESFETs。 仅管有更复杂性能更好的器件出现，但 MESFET在微波领域的功放、开关方面仍 然占据着主导地位。
EC
Vm: 金属的电势 Vs: 半导体的电势
EV
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（b）间隙很大 (D>原子间距)
平衡时, 无电子的净流动。相对于(EF)m, 半导体 的(EF)s下降了
q(Vs Vm ) Wm Ws Ws Wm Vms Vm Vs q
接触电势差: 金属和半导体接触而产生的电势差 Vms.
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当金属与n型半导体接触 Wm>Ws 半导体表面形成一个正的空间电荷区 电场方向由体内指向表面 (Vs<0) 半导体表面电子的能量高于体内的，能 带向上弯曲，即形成表面势垒 在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成， 电子浓度要比体内小得多，因此它是一个高 阻的区域，常称为阻挡层。
基本工作原理


如果电压进一步增加，所加的电场将会进一 步增加，以至于超过电子达到饱和速度所需 的电场。 在大偏压的条件下， ID 的另一个表达式成 立了，它将沟道参数和电流直接联系起来：
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基本工作原理
上述表达式忽略了寄生电阻 RS 和RD. 其中， Z 表示沟道宽度; b(x)是沟道有效 深度; q, 电子电荷; n(x) 是电子浓度; v(x), 是电子的速度, 与穿过沟道的电场有关。 注意：当v(x) 饱和时， ID 也会饱和。 这个饱和电流就称为IDSS.

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q(Vs Vm )
q
Wm
EF
qnS
qVD
En
EC
半导体表面有空间 电荷区 空间电荷区内有电场 电场造成能带弯曲
_
+
E
EV
因表面势 Vs < 0
能带向上弯曲
（c）紧密接触
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接触电势差一部分降落在空间电荷区, 另一 部分降落在金属和半导体表面之间

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MESFET 应用
对于MESFETs， GaAs 优于 Si 源于两个 重要的优势:
2 a
基本工作原理
在夹断条件下，漏电流有非常微小的下 降。 因此，晶体管可以用作电压控制的开关。

VT=Vbi-Vp
其中VT表示阈值电压，只有VGS超过VT， 器件才能有导电沟道，而进入导通状态。
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基本工作原理
微波器件最常用的品质因数是增益带宽、最 高振荡频率和截止频率。 截止频率定义为MESFET短路电流增益下降 为1时的频率。
最重要的差异是肖特基二极管仅仅只有 单一类型的载流子（即多子）。 少数载流子的缺失意味着存储电荷的效 应不再存在。 因此，肖特基二极管很适于快速开关应 用。

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MESFET
Metal Semiconductor Field Effect Transistors
肖特基势垒二极管的正向电流，主要是由半 导体中的多数载流子进入金属形成的，此二极 管将有较低的正向导通电压，一般为0.3 V左右， 且有更好的高频特性。
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PN结二极管
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肖特基二极管
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肖特基二极管与PN结二极管的差异
电子的亲合能
E0
q
Ws
EC EF EV
q E0 EC
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2.接触电势差
Wm Ws
q Ws
E0
Wm
En
EC
( EF ) m
( EF ) s
Ev
(a) 接触前
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q(Vs Vm )
Wm
EF
D
q
Ws
En
金属表面负电 半导体表面正电

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基本工作原理
不考虑栅极，器件的结构和I-V特性如图所示： 当源和漏之间加一个小的电压时，两个电极之间 会有电流流过； 当较小的电压增加时，电流呈线性增加。

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基本工作原理
无栅MESFET简图及 I–V 特性
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当金属与n型半导体接触
Wm<Ws
半导体表面形成一个负的空间电荷区 电场方向由表面指向体内(Vs>0) 半导体表面电子的能量低于体内的，能 带向下弯曲
在空间电荷区中，电子浓度要比体内大得多， 因此它是一个高电导的区域，称为反阻挡层。
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反阻挡层薄, 高电导, 对接触电阻影响小
Ec Ws-Wm
-Wm
EF
Ev
金属和 n 型半导体接触能带图 (Wm<Ws)
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当金属与 p 型半导体接触
Wm Ws
能带向上弯曲, 形成 p 型反阻挡层
Wm Ws
能带向下弯曲, 造成空穴的势垒,
形成 p 型阻挡层
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基本工作原理

沟道深度的不均匀对器件的运行会产生两个影 响。 第一，在耗尽区靠近源极一侧，会形成电子积 累；而在耗尽区靠近漏极一侧，则形成电子耗 尽。 这些电荷形成的偶极子会在漏极和沟道之间产 生反馈电容，称为CDC. 第二，偶极子的电场会叠加在原来的电场之上， 在较低的VD下，导致饱和条件的发生。

sat fT 2 2L
1

对于 GaAs，在典型沟道掺杂时， vsat 大约为 6 x1010 mm/s，对于大于 10 GHz的fT，栅长L必须 小于 1 mm。受工艺和击穿电场的双重限制，L的 极限值是0.1 mm。
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基本工作原理
栅对沟道的有效控制要求栅长L必须大于 沟道深度a，即L/a > 1. 对于大多数GaAs MESFETs ，要求沟道 深度在0.05 到 0.3 mm 之间。 小的沟道深度需要沟道内的载流子浓度 尽可能的高以维持大电流。

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MESFET
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n-MESFET 的 I-V 特性
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与MOSFET相比， MESFET最显著的优 势是沟道载流子的高迁移率； MESFET结构的缺点则是肖特基栅的存 在； 肖特基二极管的开启电压限制了 MESFET的正向偏压。

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基本结构
高掺杂的N+层在表面生长，用来形成欧姆 接触，在沟道区这一层是被刻蚀掉的。 或者，可以通过离子注入的方法形成源漏 的欧姆接触区。 源漏接触区之间，会制造一个整流接触也 就是肖特基接触。 典型的欧姆接触是 Au–Ge，肖特基接触是 Ti–Pt–Au。

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microwave spectrum

微波是波长为1～1000毫米的波，按其波 长不同分为若干波段：
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GaAs MESFET
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基本结构
基本材料是GaAs衬底。 缓冲层在GaAs衬底之上外延生成，用来 隔绝衬底中的缺陷。 沟道或导电层是一层非常薄的轻掺杂的半 导体N型层，外延生长在缓冲层之上。 对于微波晶体管，由于GaAs的电子迁移 率几乎是空穴的20倍，因此导电沟道层几 乎都是N型层。
Wm>Ws Wm<Ws
阻挡层 反阻挡层
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金属半导体接触整流理论
是指阻挡层的整流理论，以n型半导体为例。
无外加电压 时，表面势为(Vs)0
qns
qVD =－q(Vs)0
(a) V=0
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如果在金属和半导体之间加上有外加 电压时，阻挡 层将发生什么变化？ 假设，外加一个电压V，则表面势为(Vs)0＋V。 电子势垒高度为
第四章 金属半导体场效应 晶体管
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金属半导体接触及能级图
1. 金属和半导体的功函数
金属中的电子绝大多数所处的能级都低于体外能级。
金属功函数的定义: 真空中静止电子的能量 E0 与 金 属的 EF 能量之差，即