第7章 MESFET及相关器件02.ppt

第7章MESFET及相关器件 SemiconductorPhysicsandDevices 半导体器件物理 欧姆接触 金属 半导体的接触电阻相对于半导体主体或串联电阻可忽略 良好的欧姆接触不会严重降低器件性能 且通过电流时所产生的电压降比落于器件有源区的电压降小 欧姆接触的一个指标 比接触电阻RC 低掺杂浓度的金属 半导体接触 热电子发射电流在电流传导中占主要地位 则 7 1 3欧姆接触 1 第7章MESFET及相关器件 为获得较小RC 应该用具有较低势垒高度的金属 半导体接触 若掺杂浓度很高 则势垒宽度变窄 此时隧穿电流成为主要传导电流 高掺杂浓度下的比接触电阻表示为 其中 可见 在隧穿范围内 比接触电阻与杂质浓度强烈相关 并以为因子成指数变化 2 第7章MESFET及相关器件 3 金半场效应晶体管 MESFET 具有三个金属 半导体接触 其中 一个肖特基接触作为栅极 两个当作源极与漏极的欧姆接触 7 2 1器件结构 图 a 为MESFET透视图 主要器件参数 栅极长度L 栅极宽度Z及外延层厚度a 大部分MESFET用n型 V族化合物半导体 如GaAS 制成 因为其具有较高电子迁移率 可减小串联电阻且具有较高饱和速度而使得截止频率增高 7 2MESFET 第7章MESFET及相关器件 4 实际制造MESFET 在半绝缘衬底上长一外延层 以减少寄生电容 以栅极尺寸来叙述MESFET 栅极长度L为0 5 m 栅极宽度Z为300 m 称之为0 5 m 300 m器件 传统微波 毫米波器件 栅极长度L在0 1 m 1 0 m 传统外延层厚度a约为栅极长度的1 3 1 5 电极间距约是栅极长度l 4倍 电流操控能力直接正比于栅极宽度Z 因为沟道电流的截面积与Z成正比 第7章MESFET及相关器件 5 MESFET原理如图 b 源极接地 栅电压与漏电压以源极为参考 正常情况下栅压为零或反偏 而漏电压为零或正偏 即VG 0而VD 0 沟道为n型材料称为n沟MESFET 大多数应用是采用n沟MESFET而非p沟MESFET 因为n沟器件具有较高的电子迁移率 7 2 2工作原理 其中 ND是施主浓度 A是电流流动的截面积 W是肖特基势垒的耗尽区宽度 沟道电阻表示为 第7章MESFET及相关器件 6 VG 0且VD很小时 如图 a 沟道中有很小的漏极电流 为VD R R为沟道电阻 因此 电流随漏极电压呈线性变化 任意漏极电压 沟道电压是由源极端的零渐增为漏极端的VD 因此 沿着源极到漏极肖特基势垒的反向偏压渐强 当VD增加 W也随之增加 使电流流动的平均截面积减小 沟道电阻R也因此增加 这使得电流以较缓慢的速率增加 第7章MESFET及相关器件 7 随漏极电压增加到VDsat 使耗尽区接触到绝缘衬底 如右上图所示 此时漏极端W a 由 此漏极电压会使源极和漏极被夹断或说是被反偏的耗尽区完全隔开 令V VDsat 可求出对应的漏极电压 称为饱和电压VDsat 右上图中位置P为夹断点 此点有一很大的漏极电流称为饱和电流IDsat 如右下图所示 第7章MESFET及相关器件 8 夹断点后 当VD进一步增加 靠近漏极端的耗尽区将逐渐扩大 而P点将往源极端移动 如左下图 然而 P点处的电压维持在VDsat 因此 每单位时间由源极移往P点的电子数目以及沟道内的电流也维持不变 当VD VDsat 电流基本维持在IDsat且与VD无关 如右下图 第7章MESFET及相关器件 9 加反偏栅压 耗尽区宽度W随之增加 对较小VD 沟道像电阻器 但具有较高阻值 因为沟道截面积减小 VG 1V的初始电流比VG 0时的初始电流小 当VD增加至某一特定值时 耗尽区将接触到绝缘衬底 此时VD为 对n沟MESFET 栅压相对于源极为负值 所以在上式及其后各式中使用VG绝对值 由上式看出 外加栅压使得开始发生夹断时所需的漏极电压减小了 VG 第7章MESFET及相关器件 10 至此仅考虑耗尽器件 即VG 0时 器件具有一可导电沟道 高速 低功率应用 增强型器件是较佳选择 此器件VG 0时 没有导通沟道 即栅极接触的内建电势足以耗尽沟道区 如绝缘衬底上生长一薄外延层的GaAsMESFET 增强型MESFET 沟道电流流通前 栅极必须加正偏压 这个所需的电压称为阈值电压VT 表示为 其中 VP为夹断电压 耗尽型和增强型器件的基本I V特性相似 主要差别在于阈值电压沿着VG轴的偏移 第7章MESFET及相关器件 11 MESFET的高频应用有一重要指标截止频率fT 即MESFET无法再将输入信号放大时的频率 通过计算可得 上述推导假设沟道中载流子迁移率为一定值 与外加电场无关 但对相当高频的工作状态 由源极指向漏极的电场大到足以使载流子以其饱和速度进行传导 此时截止频率为 欲改善高频性能 必须使用具有较高载流子迁移率与较短沟道长度MESFET 如较高电子迁移率的n沟MESFET 7 2 4高频性能 第7章MESFET及相关器件 12 因此 要增加fT 必须缩小栅极长度及使用高速度半导体 下图所示为五种半导体电子漂移速度对应电场强度的关系图 GaAs平均速度为1 2 107cm s 峰值速度为2 107cm s 分别比Si饱和速度高出20 100 此外 Ga0 47In0 53As与InP比GaAs有更高的平均速度与峰值速度 因此 这些半导体的截止频率将比GaAs来得更高 第7章MESFET及相关器件 13 课堂小结