第五章 化合物半導(dǎo)體器件

1、第五章第五章 化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 化合物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管化合物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 量子器件與熱電子器件量子器件與熱電子器件 光電器件光電器件 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（Heterojunction Bipolar TransistIor，HBT）是指晶體管中的一個或兩個pn結(jié)由不同的半導(dǎo)體材料所構(gòu)成 化合物雙極型晶體管大多采用異質(zhì)結(jié)構(gòu) 提高雙極型晶體管電流增益：提高發(fā)射極注入效率 異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以提高pn結(jié)的注入比，可以提高晶體管的注入效率 HBT的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)Npn HBT結(jié)構(gòu)的截面圖 n型發(fā)射區(qū)：寬禁帶AlGaA

2、S p型基區(qū)：窄禁帶GaAs 集電區(qū)：低摻雜和高摻雜的n型GaAs 發(fā)射結(jié)為異質(zhì)結(jié)，集電結(jié)為同質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 在發(fā)射區(qū)接觸和AlGaAs層之間加一層高摻n型GaAs層形成歐姆接觸 發(fā)射區(qū)和基區(qū)材料間的禁帶寬度差 提高共射電流增益突變結(jié)和組分漸變異質(zhì)結(jié)突變結(jié)和組分漸變異質(zhì)結(jié) （a）突變發(fā)射結(jié)HBT的能帶圖（b）漸變發(fā)射結(jié)HBT的能帶圖 HBT的增益的增益 expexpgEgBgEEBBEEENNNkTNkT理想理想I-IBT的增益：的增益：共射極電流增益共射極電流增益 NB、NE分別為基區(qū)受主和發(fā)射區(qū)施主的濃度 器件的放大特性除了與摻雜濃度有關(guān)，還與異質(zhì)結(jié)能帶差有關(guān)如果HBT的發(fā)射區(qū)半導(dǎo)

3、體禁帶寬度比基區(qū)寬0.2eV，室溫下電流增益可以比相同摻雜的普通晶體管提高2191倍 考慮界面復(fù)合后考慮界面復(fù)合后HBT的增益的增益AlGaAs-GaAs HBT的電流增益與發(fā)射極電流的關(guān)系（300K）n是理想因子，當(dāng)導(dǎo)帶上的勢壘尖峰在平衡時沒有伸出，則n=1。如果尖峰露出了p區(qū)的導(dǎo)帶底，則 1n 耗盡區(qū)中的復(fù)合電流是發(fā)射極異質(zhì)結(jié)電流中的重要成分 HBT的頻率特性的頻率特性 異質(zhì)結(jié)注入比大的優(yōu)點并不完全被利用來提高增益，更重要的是在保證足夠增益的同時來提高晶體管的頻率特性 同質(zhì)結(jié)晶體管主要依靠發(fā)射極高摻雜，基區(qū)低摻雜的方法提高注入比 異質(zhì)結(jié)晶體管則可以在保證相同注入比的條件下降低發(fā)射極摻雜，提

4、高基區(qū)摻雜，進而提高晶體管的頻率特性 最大振蕩頻率：Rb的減小晶體管的最大振蕩頻率也增加 開關(guān)時間：開關(guān)時間直接由基區(qū)電阻Rb和基區(qū)渡越時間決定 寬帶隙集電區(qū)：當(dāng)集電結(jié)正向偏置時，可以阻止空穴從基區(qū)向集電區(qū)注入，這類似于寬帶隙發(fā)射區(qū)效應(yīng) 先進的先進的HBT Si-SiGe HBT -V族化合物基HBT GaAs/AlGaAs HBT：GaAs/AlxGa1-xAs材料晶格匹配好、帶隙范圍大、遷移率高，GaAs載流子在強場情況下出現(xiàn)的速度過沖現(xiàn)象可以大大減小渡越時間，良好性能的GaAs半絕緣襯底使得器件和互連之間的絕緣簡單易行 InGaAs/InP HBT：采用InGaAs作基區(qū)，用InAlAs

5、或InP作寬帶隙發(fā)射區(qū)而得到的HBT具有電子遷移率高、表面復(fù)合小、器件尺寸小、襯底熱導(dǎo)率高等優(yōu)點 化合物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管化合物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor，F(xiàn)ET） 金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管高電子遷移率晶體管 金屬半導(dǎo)體肖特基接觸金屬半導(dǎo)體肖特基接觸 金屬一半導(dǎo)體接觸稱作肖特基接觸（Schottky Contact）：在MESFET中，金屬柵與其下的半導(dǎo)體材料形成的金屬半導(dǎo)體結(jié)具有整流特性 歐姆接觸：金屬一半導(dǎo)體之間也可以形成非整流接觸，這種非整流金屬半導(dǎo)體接觸則稱為歐姆接觸。 能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu) 兩者接觸后，電子從半導(dǎo)體流向金屬半導(dǎo)體表面會逐

6、漸產(chǎn)生電子耗盡表面正電荷密度也隨之增加 正電荷分布在半導(dǎo)體表面一定厚度的空間區(qū)域內(nèi)空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)內(nèi)存在內(nèi)建電場，造成能帶彎曲 接觸電勢差大部分降落在空間電荷區(qū) Wm-WsDmsqVWWBDnmsnmqqVEWWEW（a）msWW，p型半導(dǎo)體 （b），n型半導(dǎo)體 （c）歐姆接觸伏安特性msWW，n型半導(dǎo)體 （b），p型半導(dǎo)體 （c）肖特基接觸伏安特性msWWmsWW（a）p型阻擋層 多子反阻擋層 元素銀Ag金Au鎢W鉑Pt鋁Al鉻Cr鈦Ti鎳Ni鉬Mo鈀PdWm(eV)4.265.14.555.654.284.55.655.154.65.12幾種常用金屬的功函數(shù) 幾種常用半導(dǎo)體的電子親和

7、能 半導(dǎo)體SiGaAsAlAsAlSbGaP(eV)4.014.073.53.64.0在實際的肖特基二極管中，半導(dǎo)體表面存在可以充當(dāng)施主 或受主的表面態(tài)，影響表面電勢，使勢壘高度發(fā)生改變?；灸Ｐ突灸Ｐ秃谋M區(qū)電場分布：xW DxqN處， xW 0 x處 ，電荷密度： DxqN , 0DddqNE xxxxx耗盡區(qū)電勢分布： 2, 02DddqNV xxxxx 耗盡區(qū)寬度：2DdDVxqN最大電場：max2DdDDqN xqN VEND是n型半導(dǎo)體的摻雜濃度，是耗盡層寬度，為半導(dǎo)體介電常數(shù) 在肖特基接觸上施加外加偏壓時，耗盡區(qū)的寬度變?yōu)?2sDDVVWqN 半導(dǎo)體內(nèi)的空間電荷面密度則為0s為真

8、空介電常數(shù)為半導(dǎo)體的相對介電常數(shù) 202 (C/cm )SCDsDDQqN WqNVV 單位面積的耗盡區(qū)電容為 20 (F/cm )2SCsDDQqNCVVV 2021/DsDVVCqN （a）正向偏壓 （b）反向偏壓對于肖特基接觸，肖特基結(jié)上存在著勢壘當(dāng)在金屬和半導(dǎo)體上外加偏壓V，勢壘高度會隨之發(fā)生的變化對于肖特基接觸，電流主要由多子決定，而對于pn結(jié)來說，電流則主要由少子決定載流子通過肖特基勢壘的輸運過程1.電子從半導(dǎo)體出發(fā)，越過勢壘頂部熱發(fā)射到金屬中；2.電子穿過勢壘的量子隧穿效應(yīng)；3.在空間電荷區(qū)的復(fù)合；4.耗盡區(qū)電子擴散；5.空穴從金屬注入半導(dǎo)體，等效于半導(dǎo)體中性區(qū)的載流子的復(fù)合金屬

9、半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MESFET）器件參數(shù)：柵長L，柵寬Z， 外延層厚度a高電子遷移率，高平均飄移速度（a）耗盡型MESFET （b）增強型MESFET柵壓負(fù)向增大，溝道逐漸夾斷，關(guān)閉。 柵壓正向增大，溝道層形成，開啟兩種工作模式器件特性的比較工作原理工作原理柵源之間負(fù)向電壓的大小將改變柵接觸下溝道的空間電荷區(qū)厚度，從而改變溝道電導(dǎo) 電流一電壓特性負(fù)阻效應(yīng)與高場疇高頻特性噪聲理論 功率特性 調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管 調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管（Modulation Doped Field Effect Transistors，MODFET） 高電子遷移率晶體管

10、（High Electron MObility TrarlsistIOrs，HEMT） 調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu) （a）達(dá)到化學(xué)平衡前 （b）達(dá)到化學(xué)平衡后調(diào)制摻雜GaAs-AlGaAs異質(zhì)結(jié)能帶圖在寬帶隙的AlGaAs中摻以施主雜質(zhì)，而GaAs層不摻雜寬帶隙的AlGaAs中的電子將向窄帶隙的GaAs中轉(zhuǎn)移，形成電子的耗盡層 GaAs層中的電子被限制在量子勢阱,二維電子氣（2DEG）體系調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)使GaAs層中有很高的電子濃度 ,電子遷移率大大提高基本原理基本原理 GaAs/AlGaAs MODFET結(jié)構(gòu) 不同d0下，遷移率隨面電子密度的變化情況 未摻雜AlGaAs層的厚度d0 的影響d0

11、很厚 傳輸?shù)搅孔于宓母怕示蜁档蚫0的減小，二維電子氣濃度的增大，載流子所受到的電離雜質(zhì)散射、晶格振動散射和界面粗糙度散射都將加劇遷移率有所下降 （a）VG=0 （b）VG=VT （c）VGVT不同偏壓下的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)不同偏壓下的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)設(shè)勢壘區(qū)為均勻摻雜，濃度為ND，夾斷電壓Vp可通過從0d對電場積分得到 20002dDpDssqN dqVNz zdz 閾值電壓VT ，柵下開始形成2DEG溝道層時的電壓。在能帶圖上反映為GaAs導(dǎo)帶底與費米能級重疊時的柵極電壓 cTBnpEVVVq常關(guān)型，增強型 量子器件（量子器件（Quantum Effect Devices） 1、隧道二極管：基于量子隧道現(xiàn)象

12、的一種器件a）一維勢壘，（b）波函數(shù)穿過勢壘的示意圖為了具有一定的穿透系數(shù)，隧道距離d要小，勢壘高度要低，有效質(zhì)量要小。典型的pn結(jié)隧道二極管的能帶結(jié)構(gòu)當(dāng)外加偏壓為零時，沒有隧道電流流過 當(dāng)外加偏壓外加偏壓時，載流子有可能從一側(cè)的導(dǎo)帶隧穿到另一側(cè)的價帶，或者從一側(cè)的價帶隧穿到另一側(cè)的導(dǎo)帶載流子發(fā)生隧穿的條件條件是：在結(jié)的兩邊，一側(cè)具有被占據(jù)的能量狀態(tài)，另一側(cè)具有空的能量狀態(tài)，且兩邊的能量狀態(tài)位于同一能級上2、 共振隧道二極管共振隧道二極管 雙異質(zhì)勢壘的共振隧穿：一層具有較窄帶隙的半導(dǎo)體材料夾在兩層具有較寬帶隙的半導(dǎo)體材料之間，形成一個量子阱和兩個勢壘的結(jié)構(gòu) 有限深勢阱的隧穿效應(yīng) 諧振隧穿結(jié)構(gòu)導(dǎo)

13、帶圖 （只顯示最低的分立能級） 當(dāng)某個入射電子的能量恰好等于量子阱中的分立能級則電子將會以100的隧穿系數(shù)隧穿雙勢壘 熱電子器件熱電子器件 熱電子（hot-electron）是指動能遠(yuǎn)大于kT的電子 半導(dǎo)體器件尺寸縮小，導(dǎo)致內(nèi)部電場變大，器件有源區(qū)內(nèi)有相當(dāng)比例的載流子會處于高動能狀態(tài)。在某一特定的時間與空間點上，載流子的速度分布可能是極窄的尖峰，稱為“彈道（ballistic）”電子束 熱電子異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（hot-electron HBT） 實空間轉(zhuǎn)移晶體管（real space transfer transistor） 熱電子異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的能帶圖 采用寬禁帶半導(dǎo)體材料作為發(fā)射區(qū) 在電場作用下，電子以熱發(fā)射的形式越過發(fā)射結(jié)勢壘 以較快的彈道傳輸取代相對較慢的擴散 縮短電子在基區(qū)內(nèi)的渡越時間 GaAs勢阱內(nèi)的電子遷移率很高AlGaAs勢壘層中的電子遷移率很低 平行于異質(zhì)結(jié)的方向上加電場，勢阱中的電子將很容易被加熱 熱電子在實際空間中的轉(zhuǎn)移熱電子在實際空間中的轉(zhuǎn)移電子在空間的轉(zhuǎn)移將使電流一