化合物半導(dǎo)體器件第五章金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管

化合物半導(dǎo)體器件

CompoundSemiconductorDevices

微電子學(xué)院

戴顯英

2010.5金屬半導(dǎo)體肖特基接觸MESFETHEMT第五章金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）金屬－半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MESFET）MOS場效應(yīng)晶體管（MOSFET）場效應(yīng)晶體管（FieldEffectTransistor,縮寫為FET）是一種電壓控制器件，其導(dǎo)電過程主要涉及一種載流子，也稱為“單極”晶體管

場效應(yīng)晶體管的分類

5.1金屬半導(dǎo)體肖特基接觸5.1.1能帶結(jié)構(gòu)5.1（a）接觸前的金屬半導(dǎo)體能帶圖，真空能級處處相同，而費米能級不同；（b）接觸后的金屬半導(dǎo)體能帶圖，費米能級處處相同1)勢壘高度以金屬/n型半導(dǎo)體接觸為例圖5.2形成整流接觸的兩種情況：（a）Фm>Фs，n型半導(dǎo)體；（b）Фm<Фs，p型半導(dǎo)體；（c）肖特基接觸I-V特性

5.1金屬半導(dǎo)體肖特基接觸2)阻擋層3)反阻擋層

5.1金屬半導(dǎo)體肖特基接觸5.1.2基本模型-整流理論圖5.5外加偏壓時肖特基接觸的能帶圖（a）正向偏壓，（b）反向偏壓1)外加電壓以金屬/n型半導(dǎo)體接觸為例

5.1金屬半導(dǎo)體肖特基接觸圖5.6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、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。2)電流模型①擴散模式：（適于厚的阻擋層）②熱電子發(fā)射模式：（適于輕摻雜、薄阻擋層）隧道效應(yīng)：（引起勢壘高度降低）鏡像力效應(yīng)：（勢壘頂向內(nèi)移動，使勢壘降低）

5.1金屬半導(dǎo)體肖特基接觸5.1.3肖特基二極管1)相同之處2)不同之處3)應(yīng)用與pn結(jié)二極管相比2)如何實現(xiàn)1)定義：5.1.4歐姆接觸金屬半導(dǎo)體肖特基接觸MESFETHEMT第五章金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管

5.2MESFET5.2.1器件結(jié)構(gòu)1)3個金-半接觸2)器件結(jié)構(gòu)參數(shù)

5.2MESFET5.2.2工作原理1)偏置電壓2)溝道電阻3)輸出特性：①VGS=0,VDS>0;以耗盡型n溝MESFET為例溝道未夾斷前：線性區(qū)

5.2MESFET溝道剛被夾斷：飽和電壓VDsat溝道夾斷后：飽和區(qū)3)輸出特性：①VGS=0,VDS>0;

5.2MESFET3)輸出特性：②VGS=-1,VDS>0;4)轉(zhuǎn)移特性5)增強型MESFET

5.2MESFET5.2.3電流-電壓特性dx肖克萊緩變溝道近似模型①dy兩端的電壓降②耗盡層寬度1)直流I-V特性③電流-電壓關(guān)系式

5.2MESFET5.2.3電流-電壓特性④溝道電導(dǎo)2）直流參數(shù)⑤飽和電流①夾斷電壓②飽和電壓③最大飽和漏極電流④最小溝道電阻3）交流參數(shù)①跨導(dǎo)②漏導(dǎo)

5.2MESFET5.2.4負(fù)阻效應(yīng)與高場疇1)負(fù)阻效應(yīng):電子從Г能谷躍遷到L能谷，μn下降。2)高場疇：GaAs、InP和Si材料中載流子的速場關(guān)系柵電場、載流子濃度和載流子漂移速度與耗盡層的關(guān)系

5.2MESFET5.2.5高頻特性高頻小信號分析的方法實驗分析：測S參數(shù)解析模型：從載流子輸運機理出發(fā)，在器件工藝和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理的數(shù)學(xué)描述。數(shù)值模型：采用有限元或有限迭代方法，求解泊松方程和電流連續(xù)性方程

5.2MESFET5.2.5高頻特性等效電路：電路的端特性與器件的外部特性是等效的特征頻率fT：β=1時的工作頻率最高振蕩頻率fmax：共源功率增益為1時的頻率影響頻率特性的因素

5.2MESFET5.2.6MESFET器件結(jié)構(gòu)舉例結(jié)構(gòu)演變柵結(jié)構(gòu)3)異質(zhì)結(jié)MESFET4)GaAs材料的優(yōu)點大部分的MESFET是用n型Ⅲ-Ⅴ化合物半導(dǎo)體制成：具有高的μn和較高的飽和速度，故fT很高。金屬半導(dǎo)體肖特基接觸MESFETHEMT第五章金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管

5.3HEMTHEMT:highelectronmobility(fieldeffect)transistor

2-DEGFET/TEGFET(two-dimensionalelectrongasfieldeffecttransistor)MODFET:modulation-dopedfieldeffecttransistor

WhyHEMT?

5.3HEMT5.3.1基本結(jié)構(gòu)-調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)1)襯底2)緩沖層3)高阻摻雜層4)臺面腐蝕5)淀積金屬

5.3HEMT5.3.2器件工作原理1)n+AlxGa1-xAs2)i-GaAs3)源、漏兩端加電壓

5.3HEMT5.3.3器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計n+AlxGa1-xAs層i-GaAs層i-AlxGa1-xAs層n+-GaAs層以耗盡型為例5.3.4改進(jìn)的HEMT結(jié)構(gòu)緩變組分n+AlxGa1-xAs層超晶格有源層超晶格緩沖層5.3.5提高2DEG濃度的途徑多溝道HEMTΔEC盡可能大的異質(zhì)結(jié)

5.3HEMT1）能帶圖2）閾值電壓VT3）2DEG的濃度nS5.3.6HEMT的基本特性不同偏壓下的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)（a）VG=0，（b）VG=VT（c）VG>VT

5.3HEMT