第四章MESFET

1、第四章 金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管中國計量學(xué)院光電學(xué)院中國計量學(xué)院光電學(xué)院半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院金屬半導(dǎo)體接觸及能級圖 1. 金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)金屬中的電子絕大多數(shù)所處的能級都低于體外能級。金屬功函數(shù)的定義: 真空中靜止電子的能量 E0 與 金屬的 EF 能量之差，即0()mFmWEE半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院 上式表示一個起始能量等于費米能級的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小值。金屬中的電子勢阱0EmWEFWm 越大, 金屬對電子的束縛越強半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院在半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶底 EC 和價帶頂 EV一般都比 E0 低幾個電子伏特。半導(dǎo)體功函數(shù)的定義: 真空中靜止電

2、子的能量 E0 與 半導(dǎo)體的 EF 能量之差，即sFsEEW)(0Ws 與雜質(zhì)濃度有關(guān)E0ECEFEVqWs電子的親合能0CqEE半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院2.接觸電勢差EvqWssFE )(mW0ECEnEmFE )(smWW 半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院Dq（b）間隙很大 (D原子間距)(msVVqCEnEVEFEmWsW金屬表面負(fù)電半導(dǎo)體表面正電Vm: 金屬的電勢Vs: 半導(dǎo)體的電勢半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院smmsWWVVq)(平衡時, 無電子的凈流動。相對于(EF)m, 半導(dǎo)體的(EF)s下降了qWWVVVmssmms接觸電勢差:金屬和半導(dǎo)體接觸而產(chǎn)生的電勢差 Vms.半導(dǎo)

3、體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院q（c）緊密接觸FE)(msVVqnSqmWCEnEVE半導(dǎo)體表面有空間 電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)有電場電場造成能帶彎曲E+_因表面勢 Vs 0能帶向上彎曲qVD半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院接觸電勢差一部分降落在空間電荷區(qū), 另一部分降落在金屬和半導(dǎo)體表面之間smsmsVVqWW若D原子間距, 電子可自由穿過間隙, Vms0, 則接觸電勢差大部分降落在空間電荷區(qū)smsVqWW/ )(半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院半導(dǎo)體一邊的勢壘高度0,ssmsDVWWqVqV金屬一邊的勢壘高度mnsmnsnDnsWEWWEqVEqVq半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院半導(dǎo)體表面形成一個正的空

4、間電荷區(qū)電場方向由體內(nèi)指向表面 (VsWs在勢壘區(qū)中，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度要比體內(nèi)小得多，因此它是一個高阻的區(qū)域，常稱為阻擋層。半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院Wm0)半導(dǎo)體表面電子的能量低于體內(nèi)的，能 帶向下彎曲在空間電荷區(qū)中，電子濃度要比體內(nèi)大得多，因此它是一個高電導(dǎo)的區(qū)域，稱為反阻擋層。半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院EcEvEFWs-Wm-Wm金屬和 n 型半導(dǎo)體接觸能帶圖 (WmWs)反阻擋層薄, 高電導(dǎo), 對接觸電阻影響小半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院能帶向下彎曲, 造成空穴的勢壘, 形成 p 型阻擋層smWW smWW 當(dāng)金屬與 p 型半導(dǎo)體接觸能帶向上彎曲, 形成

5、p 型反阻擋層半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院金屬和p型半導(dǎo)體接觸能帶圖(a)(b)(a) p型阻擋層(WmWs)WmEcEvPSqFEmsDWWqVEcEvPSqsmDWWqVFE半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院形成n型和p型阻擋層的條件WmWsWm 0qnsqVq(Vs)0+V因 Vs0， V, 勢壘下降越多， 正向電流越大半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院(c) V 0- qVqnsq(Vs)0+V 金屬中的電子要越過很高的勢壘 qns，所以反向電流很小。 同時qns不隨V變，所以從金到半的電子流恒定。半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院阻擋層具有整流作用對p型阻擋層0)(0sVV0, 金屬正偏，形成

6、反向電流半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院4.肖特基勢壘二極管 肖特基勢壘二極管的正向電流，主要是由半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子進(jìn)入金屬形成的，此二極管將有較低的正向?qū)妷?，一般?.3 V左右，且有更好的高頻特性。 利用金屬半導(dǎo)體整流接觸特性制成的二極管。半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院PN結(jié)二極管半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院肖特基二極管半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院肖特基二極管與PN結(jié)二極管的差異n最重要的差異是肖特基二極管僅僅只有單一類型的載流子（即多子）。n少數(shù)載流子的缺失意味著存儲電荷的效應(yīng)不再存在。n因此，肖特基二極管很適于快速開關(guān)應(yīng)用。MESFETMetal Semiconductor F

7、ield Effect Transistors半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院nMESFET = Metal Semiconductor Field Effect Transistor = .nMESFET由源和漏接觸區(qū)以及之間的導(dǎo)電溝道組成。n載流子從源極到漏極的流動由肖特基金屬柵控制。 n通過控制金屬柵下方的耗盡層寬度的變化，可以控制導(dǎo)電溝道，從而控制電流。半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院MESFET半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院n-MESFET 的 I-V 特性半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院n與MOSFET相比， MESFET最顯著的優(yōu)勢是溝道載流子的高遷移率；nMESFET結(jié)構(gòu)的缺點則是肖

8、特基柵的存在；n肖特基二極管的開啟電壓限制了MESFET的正向偏壓。半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院n對于GaAs肖特基二極管，這個開啟電壓的典型值是0.7V。n因此Vds電壓必須低于這個開啟電壓。n從而導(dǎo)致要想制造包含大量增強型MESFET的電路非常的困難。半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院nGaAs MESFETs 在微波電路中有著普遍廣泛和重要的應(yīng)用。n實際上，直到80年代，幾乎所有的微波集成電路都是GaAs MESFETs。n僅管有更復(fù)雜性能更好的器件出現(xiàn)，但MESFET在微波領(lǐng)域的功放、開關(guān)方面仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位。半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院microwave spectrumn微波是波

9、長為11000毫米的波，按其波長不同分為若干波段： 半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院GaAs MESFET半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院n基本材料是GaAs襯底。n緩沖層在GaAs襯底之上外延生成，用來隔絕襯底中的缺陷。n溝道或?qū)щ妼邮且粚臃浅１〉妮p摻雜的半導(dǎo)體N型層，外延生長在緩沖層之上。 n對于微波晶體管，由于GaAs的電子遷移率幾乎是空穴的20倍，因此導(dǎo)電溝道層幾乎都是N型層?；窘Y(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院基本結(jié)構(gòu)n高摻雜的N+層在表面生長，用來形成歐姆接觸，在溝道區(qū)這一層是被刻蝕掉的。n或者，可以通過離子注入的方法形成源漏的歐姆接觸區(qū)。n源漏接觸區(qū)之間，會制造一個整流接觸也就是肖

10、特基接觸。n典型的歐姆接觸是 AuGe，肖特基接觸是TiPtAu。半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院基本工作原理n不考慮柵極，器件的結(jié)構(gòu)和I-V特性如圖所示：n當(dāng)源和漏之間加一個小的電壓時，兩個電極之間會有電流流過；n當(dāng)較小的電壓增加時，電流呈線性增加。半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院基本工作原理無柵無柵MESFET簡圖及簡圖及 IV 特性特性半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院基本工作原理n如果電壓進(jìn)一步增加，所加的電場將會進(jìn)一步增加，以至于超過電子達(dá)到飽和速度所需的電場。n在大偏壓的條件下， ID 的另一個表達(dá)式成立了，它將溝道參數(shù)和電流直接聯(lián)系起來：半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院基本工作原理n上述表

11、達(dá)式忽略了寄生電阻 RS 和RD. n其中， , 與穿過溝道的電場有關(guān)。n注意：當(dāng)v(x) 飽和時， ID 也會飽和。n這個飽和電流就稱為IDSS.半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院基本工作原理n現(xiàn)在，考慮柵電極的影響，將柵極放在溝道上方，不加任何柵偏壓， VG = 0. n柵極下方會形成一個耗盡區(qū)，因此溝道的有效深度b(x)減小了，相應(yīng)的柵下方電阻增加了。n耗盡區(qū)的深度依賴于穿過肖特基結(jié)的電壓降。n當(dāng)電流在溝道中流動時，可等效為電流流過一個分布式的電阻器，在溝道末端漏極的電壓降大于源極。n導(dǎo)致了耗盡區(qū)的深度并不均勻，在溝道靠近漏極一側(cè)深度更大。半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院基本工作原理n溝道深度

12、的不均勻?qū)ζ骷倪\行會產(chǎn)生兩個影響。n第一，在耗盡區(qū)靠近源極一側(cè)，會形成電子積累；而在耗盡區(qū)靠近漏極一側(cè)，則形成電子耗盡。n這些電荷形成的偶極子會在漏極和溝道之間產(chǎn)生反饋電容，稱為CDC. n第二，偶極子的電場會疊加在原來的電場之上，在較低的VD下，導(dǎo)致飽和條件的發(fā)生。半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院基本工作原理n在柵結(jié)上增加偏壓，則耗盡區(qū)的深度、溝道電阻和飽和電流均可以控制了。n如果外加一個足夠大的負(fù)偏壓，n這個柵偏壓就稱為夾斷電壓，可表示為：202aqNVrdp半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院基本工作原理n在夾斷條件下，漏電流有非常微小的下降。n因此，晶體管可以用作電壓控制的。 VT=Vbi-

13、Vp 其中VT表示閾值電壓，只有VGS超過VT，器件才能有導(dǎo)電溝道，而進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院基本工作原理n微波器件最常用的品質(zhì)因數(shù)是增益帶寬、最高振蕩頻率和截止頻率。n截止頻率定義為MESFET短路電流增益下降為1時的頻率。n對于 GaAs，在典型溝道摻雜時， vsat 大約為 6 x1010 mm/s，對于大于 10 GHz的fT，柵長L必須小于 1 mm。受工藝和擊穿電場的雙重限制，L的極限值是0.1 mm。LfsatT221半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院基本工作原理n柵對溝道的有效控制要求柵長L必須大于溝道深度a，即L/a 1. n對于大多數(shù)GaAs MESFETs

14、 ，要求溝道深度在0.05 到 0.3 mm 之間。 n小的溝道深度需要溝道內(nèi)的載流子濃度盡可能的高以維持大電流。半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院MESFET 應(yīng)用 對于MESFETs， 源于兩個重要的優(yōu)勢: 一、室溫下的遷移率是硅的5倍，飽和速度是硅的兩倍。 二、 由于自由載流子會吸收微波功率，而GaAs半絕緣襯底有望消除吸收微波功率的問題。半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院MESFET 應(yīng)用n高頻器件，蜂窩式電話（cellular phones），人造衛(wèi)星接收器，雷達(dá)，微波器件。nGaAs 是 MESFETs最主要的材料。nGaAs 有高的電子遷移率。n一般而言， 當(dāng)f 2 GHz: GaAs

15、晶體管。 當(dāng) f 2 GHz: Si 晶體管。HEMTHigh Electron Mobility Transistor半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院HEMT結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院nHEMT是一種異質(zhì)結(jié)MESFETnAlGaAs/GaAs 異質(zhì)結(jié)HEMT的結(jié)構(gòu)；n在寬禁帶的AlGaAs層（控制層）中摻有施主雜質(zhì)，在窄禁帶的GaAs層（溝道層）中不摻雜（即為本征層）nAlGaAs層通常稱為控制層，它和金屬柵極形成肖特基勢壘結(jié)，和GaAs層形成異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院工作原理n這里AlGaAs/GaAs就是一個調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)，在其界面、本征半導(dǎo)體一邊處，就構(gòu)成一個電子勢阱，

16、勢阱中的電子即為高遷移率的二維電子氣（2-DEG）。n這種2-DEG不僅遷移率很高，而且在極低溫度下也不“凍結(jié)凍結(jié)”，則HEMT有很好的低溫性能, 可用于低溫研究工作中。n異質(zhì)結(jié)界面附近的另一層很薄的本征層（i-AlGaAs），是用于避免勢阱中2-DEG受到n-AlGaAs中電離雜質(zhì)中心的影響，以進(jìn)一步提高遷移率。 半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院能帶圖 AlGaAs的禁帶寬度比GaAs大，所以它們形成異質(zhì)結(jié)時，導(dǎo)帶邊不連續(xù)， AlGaAs的導(dǎo)帶邊比GaAs的高。實際上就是前者的電子親和能比后者的小，結(jié)果電子從AlGaAs向GaAs中轉(zhuǎn)移，在GaAs表面形成近似三角形的電子勢阱半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院n若n-AlxGa1-xAs層厚度較大、摻雜濃度又高，則在Vg =0 時就存在有2-DEG, 為耗盡型器件，反之則為增強型器件；n但該層如果厚度過大、摻雜濃度過高, 則工作時就不能耗盡, 而且還將出現(xiàn)與S-D并聯(lián)的漏電電阻。總之，對于HEMT，主要是要控制好寬禁帶半導(dǎo)體層控制層的摻雜濃度和厚度，特別是厚度。 半導(dǎo)體器件中國計量學(xué)院光電學(xué)院n