半導(dǎo)體器件 的材料品質(zhì)因子

1、半導(dǎo)體器件 的材料品質(zhì)因子 XieMeng-xian.(電子科大，成都市) 為了使半導(dǎo)體器件的性能達(dá)到較好的水平，除了在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝制作技術(shù)上加以優(yōu)化以外，在半導(dǎo)體材料的合理選取上也需要加以考慮。究竟什么樣的半導(dǎo)體材料最適合某種器件使用呢?這就需要根據(jù)器件的某些參數(shù)之間的制約關(guān)系來確立一種評價的標(biāo)準(zhǔn)，這種標(biāo)準(zhǔn)也就是不同器件的材料品質(zhì)因子。 (1)Johnson因子: Johnson因子是高頻大功率BJT的材料品質(zhì)因子，即是表征半導(dǎo)體材料對于高頻大功率BJT適應(yīng)能力的一個參量。 因為晶體管在高電壓和大電流條件下工作時，將會產(chǎn)生勢壘展寬、放大系數(shù)下降和Kirk效應(yīng)(基區(qū)展寬效應(yīng))等許多現(xiàn)象，

2、并導(dǎo)致晶體管的最高工作頻率下降，所以晶體管的最大輸出功率與特征頻率之間存在著一定的制約關(guān)系。一般，從半導(dǎo)體材料的基本特性來看，臨界雪崩擊穿電場強(qiáng)度Ec越大，載流子飽和漂移速度vs越高，晶體管的最大功率處理能力就越強(qiáng)，特征頻率也相應(yīng)地越高。因此，可以采用半導(dǎo)體材料的臨界雪崩擊穿電場強(qiáng)度與載流子飽和漂移速度的乘積，即 來作為評價不同半導(dǎo)材料對制作高頻大功率晶體管的適應(yīng)能力。該乘積F1就稱為為第一材料品質(zhì)因子，或者Johnson因子。 實際上，Johnson因子的大小就是限制器件極限性能的一個量度。Johnson因子的數(shù)值越大，則晶體管在高頻下阻斷電壓和處理功率的能力就越強(qiáng)，即能夠更好地兼顧高頻率和

3、大功率的要求。 根據(jù)不同半導(dǎo)體材料的基本特性參數(shù)和Johnson因子的數(shù)值，可以見到:由于金剛石、氮化鎵和碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體的臨界雪崩擊穿電場，要比Si和GaAs的高出一個數(shù)量級，而飽和漂移速度的差別不大，因此，寬禁帶半導(dǎo)體晶體管在同一特征頻率下的電壓承受能力要比Si和GaAs晶體管的高得多。寬的大數(shù)十倍，所以寬禁帶半導(dǎo)體材料將Si因子要比Johnson禁帶半導(dǎo)體材料的有利于獲得高電壓、大電流和高頻率，這對于制作高頻大功率晶體管具有很大的潛在優(yōu)勢。 (2)Keyes因子: Keyes因子是功率開關(guān)BJT的一個材料品質(zhì)因子。 因為BJT的開關(guān)時間(主要是關(guān)斷時間)與晶體管結(jié)電容的充放電時間常數(shù)

4、和載流子渡越時間有關(guān)。減小晶體管截面積來縮小結(jié)電容以及提高漂移速度來縮短渡越時間，都將有利于提高開關(guān)速度。但是，BJT截面積的縮小，就會使晶體管的熱阻增大，將導(dǎo)致結(jié)溫的升高T;因此，減小結(jié)電容來提高開關(guān)速度與增大截面積來降低熱阻之間存在著一定的矛盾要求，即晶體管的功耗與速度(或者開關(guān)頻率)之間存在著一定的制約關(guān)系。 分析表明，晶體管的開關(guān)速度或者開關(guān)頻率要受到半導(dǎo)體材料的熱導(dǎo)率、飽和漂移速度v和相對介電常數(shù)的限制，對于BJT的開關(guān)頻率f來說，它具有如下的正比關(guān)系: 式中的F2即稱為第二材料品質(zhì)因子，又稱為Keyes因子。Keyes因子即決定了晶體管最高開關(guān)頻率的上限。 由于不同半導(dǎo)體材料的飽和

5、速度v和相對介電常數(shù)之間的差別不大，因此Keyes因子的大小實際上反映的是半導(dǎo)體材料的熱導(dǎo)率對晶體管開關(guān)特性的限制。 由Keyes因子的數(shù)據(jù)得知，金剛石和碳化硅這兩種寬禁帶半導(dǎo)體，從功耗與工作速度的制約關(guān)系來看，要比Si優(yōu)越得多;而砷化鎵和磷化鎵這兩種半導(dǎo)體，雖然它們的禁帶寬度大于Si，但是由于它們的熱導(dǎo)率卻大約只有Si的1/3(相應(yīng)的Keyes因子不到Si的一半)，所以在用作為制作高速功率開關(guān)晶體管的材料上，性能還不如Si的好。 (3)Baliga低速因子: 低速因子是開關(guān)頻率較低的場效應(yīng)器件的材料品質(zhì)因子。Baliga開關(guān)頻率較低的場效應(yīng)開關(guān)晶體管(FET)的性能制約關(guān)系，主要表現(xiàn)在耐壓(

6、阻斷電壓)與功耗之間的矛盾上。而器件的功耗主要包括兩個部分，即導(dǎo)通狀態(tài)時的功耗(稱為靜態(tài)穩(wěn)態(tài)功耗)和開關(guān)過程中的功耗(動態(tài)瞬態(tài)功耗)。對于開關(guān)頻率較低的器件，動態(tài)功耗一般都較小，主要是靜態(tài)功耗，從而這時決定器件功耗的基本因素是導(dǎo)通狀態(tài)下的導(dǎo)通電阻。 對于垂直導(dǎo)電的功率MOSFET(VDMOSFET)，它的導(dǎo)通電阻包含有幾個分量，但是在考慮功率VDMOSFET的導(dǎo)通電阻與材料特性的關(guān)系時，可以只考慮漂移區(qū)的電阻Rd即可。 顯然，載流子遷移率越大，導(dǎo)通電阻就越小;并且，當(dāng)采用臨界雪崩擊穿電場強(qiáng)度Ec較高的半導(dǎo)體時，就能夠大大縮短漂移區(qū)的寬度，從而也可以顯著地降低導(dǎo)通電阻。 分析表明，只要選取適當(dāng)?shù)?/p>

7、半導(dǎo)體材料參數(shù)-遷移率、臨界雪崩擊穿電場強(qiáng)度Ec和相對介電常數(shù)r，即可讓器件獲得最小的導(dǎo)通電阻和最高的擊穿電壓。因此，可以采用 來表征半導(dǎo)體材料對開關(guān)頻率較低的場效應(yīng)器件的適應(yīng)能力;F3稱為第三材料品質(zhì)因子或者Baliga低速因子。如果選取F3較高的半導(dǎo)體材料來制作MOSFET的話，則可以在保持耐壓水平不變的情況下，使導(dǎo)通電阻大大降低;或者在一定的導(dǎo)通電阻條件下，獲得較高的耐壓性能。 由F3的數(shù)值可見，用于制造功率MOSFET的最理想的半導(dǎo)體材料是金剛石和碳化硅，尤其是金剛石;并且金剛石還有一個重要的特點(diǎn)，即電子和空穴的遷移率相差不大，這對于制作大功率CMOS而言具有很大的價值(可不必有意地增

8、大p-MOSFET的溝道寬度，將有利于降低功耗和簡化控制電路的設(shè)計)。 (4)Baliga高速因子: Baliga高速因子是開關(guān)頻率較高的場效應(yīng)器件的材料品質(zhì)因子。 對于較高開關(guān)頻率使用的功率MOSFET，其性能之間的制約關(guān)系主要表現(xiàn)在 功耗與開關(guān)頻率之間的矛盾上。這種器件的功耗除了導(dǎo)通狀態(tài)時的靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))功耗以外，開關(guān)過程中的動態(tài)(瞬態(tài))功耗也必須加以考慮。在此，動態(tài)功耗主要就是所謂開關(guān)損耗，即驅(qū)使器件發(fā)生開關(guān)動作所需要的對輸入電容充放電的能量消耗。 器件開關(guān)頻率的提高，主要是要受到功耗增大的限制。為了降低器件的功耗、并提高開關(guān)頻率，需要從三個方面來考慮:合理地選取器件面積。因為若增大器件的

9、面積，雖然可以降低導(dǎo)通電阻而使是靜態(tài)功耗減小，但是與此同時也將增大器件的總電容而使開關(guān)損耗增加。因此，就需要優(yōu)化器件面積來獲得最小的總功耗。使導(dǎo)通電阻最小，以降低靜態(tài)功耗。使輸入電容最小，以降低開關(guān)損耗。在器件功耗較低的情況下，也就使得可以采用較高的開關(guān)頻率。 分析指出，對于不同半導(dǎo)體材料制作的場效應(yīng)器件，載流子的遷移率越大，同時臨界擊穿電場強(qiáng)度越高，器件的最小功耗就越低。因此，可以選取 作為開關(guān)頻率較高的場效應(yīng)器件的材料品質(zhì)因子，稱為第四材料品質(zhì)因子或者Baliga高速因子。F4的數(shù)值越大，在開關(guān)頻率一定的情況下，場效應(yīng)器件的功耗就越小;或者，在功耗一定的情況下，場效應(yīng)器件的開關(guān)頻率也就越高。 通過對比各種半導(dǎo)體材料的F4數(shù)值，可以得知: 對于一定的半導(dǎo)體材料，場效應(yīng)器件的功耗隨著開關(guān)頻率的提高而增大;而對于相同的開關(guān)頻率，采用不同半導(dǎo)體材料制造的器件的功耗可以有數(shù)量級的差別;并且開關(guān)頻率越高，功耗的大小對材