化合物半导体器件第五章金属半导体场效应晶体管.

化合物半导体器件化合物半导体器件CompoundSemiconductorDevices微电子学院戴显英2010.5化合物半导体器件•金属半导体肖特基接触•MESFET•HEMT第五章金属半导体场效应晶体管化合物半导体器件场效应晶体管场效应晶体管结型场效应晶体管（JFET）金属－半导体场效应晶体管（MESFET）MOS场效应晶体管（MOSFET）场效应晶体管（FieldEffectTransistor,缩写为FET）是一种电压控制器件，其导电过程主要涉及一种载流子，也称为“单极”晶体管化合物半导体器件场效应晶体管的分类化合物半导体器件5.1金属半导体肖特基接触5.1.1能带结构5.1（a）接触前的金属半导体能带图，真空能级处处相同，而费米能级不同；（b）接触后的金属半导体能带图，费米能级处处相同1)势垒高度以金属/n型半导体接触为例化合物半导体器件图5.2形成整流接触的两种情况：（a）ФmФs，n型半导体；（b）ФmФs，p型半导体；（c）肖特基接触I-V特性5.1金属半导体肖特基接触2)阻挡层3)反阻挡层化合物半导体器件5.1金属半导体肖特基接触5.1.2基本模型-整流理论图5.5外加偏压时肖特基接触的能带图（a）正向偏压，（b）反向偏压1)外加电压以金属/n型半导体接触为例化合物半导体器件5.1金属半导体肖特基接触图5.6载流子通过肖特基势垒的输运过程1、电子从半导体出发，越过势垒顶部热发射到金属中；2、电子穿过势垒的量子隧穿效应；3、在空间电荷区的复合；4、空穴从金属注入半导体，等效于半导体中性区的载流子的复合。2)电流模型①扩散模式：（适于厚的阻挡层）②热电子发射模式：（适于轻掺杂、薄阻挡层）隧道效应：（引起势垒高度降低）镜像力效应：（势垒顶向内移动，使势垒降低）化合物半导体器件5.1金属半导体肖特基接触5.1.3肖特基二极管1)相同之处2)不同之处3)应用与pn结二极管相比2)如何实现1)定义：5.1.4欧姆接触化合物半导体器件•金属半导体肖特基接触•MESFET•HEMT第五章金属半导体场效应晶体管化合物半导体器件5.2MESFET5.2.1器件结构1)3个金-半接触2)器件结构参数LLgsLgdL源极漏极Za型n衬底半导体绝缘栅极LLgsLgdL源极漏极Za型n衬底半导体绝缘栅极的透视图MESFET)(a漏极源极栅极aWLDV0GV漏极源极栅极aWLDV0GV栅极区域的截面图MESFET)(b图6.10化合物半导体器件5.2MESFET5.2.2工作原理1)偏置电压2)沟道电阻3)输出特性：①VGS=0,VDS0;以耗尽型n沟MESFET为例0GVWaDI0DV0GVWaDI0DV0GVPsatDDVV0GVPsatDDVV0GVPsatDDVV0GVPsatDDVVV1GV0DVV1GV0DVDIDV0线性DIDV0线性DIDV0satDIsatDV夹断DIDV0satDIsatDV夹断DIDV0satDIsatDV饱和DIDV0satDIsatDV饱和DIDV0satDIsatDV0GVV1GVDIDV0satDIsatDV0GVV1GVDGV0V)(且小的a且为夹断时0V)(Gb)VV(0V)(DsatDG且为夹断后cDGV1V)(且小的d图6.11在不同偏压下，MESFET耗尽区宽度变化与输出特性沟道未夹断前：线性区化合物半导体器件5.2MESFET0GVWaDI0DV0GVWaDI0DV0GVPsatDDVV0GVPsatDDVV0GVPsatDDVV0GVPsatDDVVV1GV0DVV1GV0DVDIDV0线性DIDV0线性DIDV0satDIsatDV夹断DIDV0satDIsatDV夹断DIDV0satDIsatDV饱和DIDV0satDIsatDV饱和DIDV0satDIsatDV0GVV1GVDIDV0satDIsatDV0GVV1GVDGV0V)(且小的a且为夹断时0V)(Gb)VV(0V)(DsatDG且为夹断后cDGV1V)(且小的d图6.11在不同偏压下，MESFET耗尽区宽度变化与输出特性0GVWaDI0DV0GVWaDI0DV0GVPsatDDVV0GVPsatDDVV0GVPsatDDVV0GVPsatDDVVV1GV0DVV1GV0DVDIDV0线性DIDV0线性DIDV0satDIsatDV夹断DIDV0satDIsatDV夹断DIDV0satDIsatDV饱和DIDV0satDIsatDV饱和DIDV0satDIsatDV0GVV1GVDIDV0satDIsatDV0GVV1GVDGV0V)(且小的a且为夹断时0V)(Gb)VV(0V)(DsatDG且为夹断后cDGV1V)(且小的d图6.11在不同偏压下，MESFET耗尽区宽度变化与输出特性0GVWaDI0DV0GVWaDI0DV0GVPsatDDVV0GVPsatDDVV0GVPsatDDVV0GVPsatDDVV0DV0DVDIDV0线性DIDV0线性DIDV0satDIsatDV夹断DIDV0satDIsatDV夹断DIDV0satDIsatDV饱和DIDV0satDIsatDV饱和DIDV0satDIsatDV0GVV1GVDIDV0satDIsatDV0GVV1GVDGV0V)(且小的a且为夹断时0V)(Gb)VV(0V)(DsatDG且为夹断后cDGV1V)(且小的d图6.11在不同偏压下，MESFET耗尽区宽度变化与输出特性沟道刚被夹断：饱和电压VDsat沟道夹断后：饱和区3)输出特性：①VGS=0,VDS0;化合物半导体器件5.2MESFET0GVWaDI0DV0GVWaDI0DV0GVPsatDDVV0GVPsatDDVV0GVPsatDDVV0GVPsatDDVVV1GV0DVV1GV0DVDIDV0线性DIDV0线性DIDV0satDIsatDV夹断DIDV0satDIsatDV夹断DIDV0satDIsatDV饱和DIDV0satDIsatDV饱和DIDV0satDIsatDV0GVV1GVDIDV0satDIsatDV0GVV1GVDGV0V)(且小的a且为夹断时0V)(Gb)VV(0V)(DsatDG且为夹断后cDGV1V)(且小的d图6.11在不同偏压下，MESFET耗尽区宽度变化与输出特性0GVWaDI0DV0GVWaDI0DV0GVPsatDDVV0GVPsatDDVV0GVPsatDDVV0GVPsatDDVVV1GV0DVV1GV0DVDIDV0线性DIDV0线性DIDV0satDIsatDV夹断DIDV0satDIsatDV夹断DIDV0satDIsatDV饱和DIDV0satDIsatDV饱和DIDV0satDIsatDV0GVV1GVDIDV0satDIsatDV0GVV1GVDGV0V)(且小的a且为夹断时0V)(Gb)VV(0V)(DsatDG且为夹断后cDGV1V)(且小的d图6.11在不同偏压下，MESFET耗尽区宽度变化与输出特性3)输出特性：②VGS=-1,VDS0;4)转移特性5)增强型MESFET化合物半导体器件5.2MESFET5.2.3电流-电压特性GVDVDI1W2W型n源极a漏极宽度y)(yWGVDVDI1W2W型n源极a漏极宽度y)(yW源极漏极ydyydy)(yVDVyL0源极漏极ydyydy)(yVDVyL0沟道区的放大图)(a化沿着沟道的漏极电压变)(b图6.12dx肖克莱缓变沟道近似模型①dy两端的电压降②耗尽层宽度1)直流I-V特性③电流-电压关系式化合物半导体器件5.2MESFET5.2.3电流-电压特性④沟道电导2）直流参数⑤饱和电流①夹断电压②饱和电压③最大饱和漏极电流④最小沟道电阻nDV半绝缘衬底SVGVnDV半绝缘衬底SVGVGVnDV半绝缘衬底GVSVnDV半绝缘衬底GVGVSVSV0DIDVV0.0GVV1.0GVV2.0GVV3.0GVV4.0GV0DIDVV0.0GVV1.0GVV2.0GVV3.0GVV4.0GV0DIDVV4.0GVV3.0GVV2.0GVV1.0GV0DIDVV4.0GVV3.0GVV2.0GVV1.0GV0TVGVDI0TVGVDIDI0GVDI0GVMESFET)(耗尽型aMESFET)(增强型b图6.14I－V特性的比较3）交流参数①跨导②漏导化合物半导体器件5.2MESFET5.2.4负阻效应与高场畴1)负阻效应:电子从Г能谷跃迁到L能谷，μn下降。2)高场畴：GaAs、InP和Si材料中载流子的速场关系栅电场、载流子浓度和载流子漂移速度与耗尽层的关系化合物半导体器件5.2MESFET5.2.5高频特性高频小信号分析的方法实验分析：测S参数解析模型：从载流子输运机理出发，在器件工艺和结构基础上，进行合理的数学描述。数值模型：采用有限元或有限迭代方法，求解泊松方程和电流连续性方程化合物半导体器件5.2MESFET5.2.5高频特性等效电路：电路的端特性与器件的外部特性是等效的1)特征频率fT：β=1时的工作频率2)最高振荡频率fmax：共源功率增益为1时的频率3)影响频率特性的因素化合物半导体器件5.2MESFET5.2.6MESFET器件结构举例1)结构演变2)栅结构3)异质结MESFET4)GaAs材料的优点大部分的MESFET是用n型Ⅲ-Ⅴ化合物半导体制成：具有高的μn和较高的饱和速度，故fT很高。化合物半导体器件•金属半导体肖特基接触•MESFET•HEMT第五章金属半导体场效应晶体管化合物半导体器件5.3HEMT•HEMT:highelectronmobility(fieldeffect)transistor•2-DEGFET/TEGFET(two-dimensionalelectrongasfieldeffecttransistor)•MODFET:modulation-dopedfieldeffecttransistorWhyHEMT?化合物半导体器件5.3HEMT5.3.1基本结构-调制掺杂结构1)衬底2)缓冲层3)高阻掺杂层4)台面腐蚀5)淀积金属化合物半导体器件5.3HEMT5.3.2器件工作原理1)n+AlxGa1-xAs2)i-GaAs3)源、漏两端加电压化合物半导体器件5.3HEMT5.3.3器件的结构参数设计1)n+AlxGa1-xAs层2)i-GaAs层3)i-AlxGa1-xAs层4)n+-GaAs层以耗尽型为例5.3.4改进的HEMT结构1)缓变组分n+AlxGa1-xAs层2)超晶格有源层3)超晶格缓冲层5.3.5提高2DEG浓度的途径1)多沟道HEMT2)ΔEC尽可能大的异质结化合物半导体器件5.3HEMT1）能带图2）阈值电压VT3）2DEG的浓度nS5.3.6HEMT的基本特性不同偏压下的导带结构（a）VG=0，（b）VG=VT（c）VGVT化合物半导体器件5.3HEMT5.3.7电流电压特性1）漏极电流ID2）ID-VDS关系曲线（伏安特性）化合物半导体器件5.3HEMT5.3.8赝高电子迁移率晶体管-PHEMT1）PHEMT的器件结构2）PHMET的工作原理3）PHMET的特点PHEMT能带图PHEMT结构图