第四章-MESFET分析.ppt

第四章金属半导体场效应晶体管 中国计量学院光电学院 金属半导体接触及能级图 1 金属和半导体的功函数 金属中的电子绝大多数所处的能级都低于体外能级 金属功函数的定义 真空中静止电子的能量E0与金属的EF能量之差 即 上式表示一个起始能量等于费米能级的电子 由金属内部逸出到真空中所需要的最小值 金属中的电子势阱 EF Wm越大 金属对电子的束缚越强 在半导体中 导带底EC和价带顶EV一般都比E0低几个电子伏特 半导体功函数的定义 真空中静止电子的能量E0与半导体的EF能量之差 即 Ws与杂质浓度有关 E0 EC EF EV q Ws 电子的亲合能 2 接触电势差 Ev q Ws a 接触前 D q b 间隙很大 D 原子间距 金属表面负电半导体表面正电 Vm 金属的电势Vs 半导体的电势 平衡时 无电子的净流动 相对于 EF m 半导体的 EF s下降了 接触电势差 金属和半导体接触而产生的电势差Vms q c 紧密接触 半导体表面有空间电荷区 空间电荷区内有电场 电场造成能带弯曲 E 因表面势Vs 0 能带向上弯曲 qVD 接触电势差一部分降落在空间电荷区 另一部分降落在金属和半导体表面之间 若D 原子间距 电子可自由穿过间隙 Vms 0 则接触电势差大部分降落在空间电荷区 半导体一边的势垒高度 金属一边的势垒高度 半导体表面形成一个正的空间电荷区 电场方向由体内指向表面 Vs 0 半导体表面电子的能量高于体内的 能带向上弯曲 即形成表面势垒 当金属与n型半导体接触 Wm Ws 在势垒区中 空间电荷主要由电离施主形成 电子浓度要比体内小得多 因此它是一个高阻的区域 常称为阻挡层 Wm Ws 当金属与n型半导体接触 半导体表面形成一个负的空间电荷区 电场方向由表面指向体内 Vs 0 半导体表面电子的能量低于体内的 能带向下弯曲 在空间电荷区中 电子浓度要比体内大得多 因此它是一个高电导的区域 称为反阻挡层 Ec Ev EF Ws Wm Wm 金属和n型半导体接触能带图 Wm Ws 反阻挡层薄 高电导 对接触电阻影响小 能带向下弯曲 造成空穴的势垒 形成p型阻挡层 当金属与p型半导体接触 能带向上弯曲 形成p型反阻挡层 金属和p型半导体接触能带图 a b a p型阻挡层 WmWs Wm Ec Ev Ec Ev 形成n型和p型阻挡层的条件 Wm Ws Wm Ws n型 p型 阻挡层 反阻挡层 阻挡层 反阻挡层 金属半导体接触整流理论 是指阻挡层的整流理论 以n型半导体为例 无外加电压时 表面势为 Vs 0 a V 0 q ns qVD q Vs 0 如果在金属和半导体之间加上有外加电压时 阻挡层将发生什么变化 电子势垒高度为 V与 Vs 0同符号时 阻挡层势垒提高 V与 Vs 0反符号时 阻挡层势垒下降 假设 外加一个电压V 则表面势为 Vs 0 V b V 0 q ns qV q Vs 0 V 因Vs 0 V 势垒下降越多 正向电流越大 c V 0 qV q ns q Vs 0 V 金属中的电子要越过很高的势垒q ns 所以反向电流很小 同时q ns不随V变 所以从金到半的电子流恒定 阻挡层具有整流作用 对p型阻挡层 V0 金属正偏 形成反向电流 4 肖特基势垒二极管 肖特基势垒二极管的正向电流 主要是由半导体中的多数载流子进入金属形成的 此二极管将有较低的正向导通电压 一般为0 3V左右 且有更好的高频特性 利用金属 半导体整流接触特性制成的二极管 PN结二极管 肖特基二极管 肖特基二极管与PN结二极管的差异 最重要的差异是肖特基二极管仅仅只有单一类型的载流子 即多子 少数载流子的缺失意味着存储电荷的效应不再存在 因此 肖特基二极管很适于快速开关应用 MESFET MetalSemiconductorFieldEffectTransistors MESFET MetalSemiconductorFieldEffectTransistor SchottkygateFET MESFET由源和漏接触区以及之间的导电沟道组成 载流子从源极到漏极的流动由肖特基金属栅控制 通过控制金属栅下方的耗尽层宽度的变化 可以控制导电沟道 从而控制电流 MESFET n MESFET的I V特性 与MOSFET相比 MESFET最显著的优势是沟道载流子的高迁移率 MESFET结构的缺点则是肖特基栅的存在 肖特基二极管的开启电压限制了MESFET的正向偏压 对于GaAs肖特基二极管 这个开启电压的典型值是0 7V 因此Vds电压必须低于这个开启电压 从而导致要想制造包含大量增强型MESFET的电路非常的困难 GaAsMESFETs在微波电路中有着普遍广泛和重要的应用 实际上 直到80年代 几乎所有的微波集成电路都是GaAsMESFETs 仅管有更复杂性能更好的器件出现 但MESFET在微波领域的功放 开关方面仍然占据着主导地位 microwavespectrum 微波是波长为1 1000毫米的波 按其波长不同分为若干波段 GaAsMESFET 基本材料是GaAs衬底 缓冲层在GaAs衬底之上外延生成 用来隔绝衬底中的缺陷 沟道或导电层是一层非常薄的轻掺杂的半导体N型层 外延生长在缓冲层之上 对于微波晶体管 由于GaAs的电子迁移率几乎是空穴的20倍 因此导电沟道层几乎都是N型层 基本结构 基本结构 高掺杂的N 层在表面生长 用来形成欧姆接触 在沟道区这一层是被刻蚀掉的 或者 可以通过离子注入的方法形成源漏的欧姆接触区 源漏接触区之间 会制造一个整流接触也就是肖特基接触 典型的欧姆接触是Au Ge 肖特基接触是Ti Pt Au 基本工作原理 不考虑栅极 器件的结构和I V特性如图所示 当源和漏之间加一个小的电压时 两个电极之间会有电流流过 当较小的电压增加时 电流呈线性增加 基本工作原理 无栅MESFET简图及I V特性 基本工作原理 如果电压进一步增加 所加的电场将会进一步增加 以至于超过电子达到饱和速度所需的电场 在大偏压的条件下 ID的另一个表达式成立了 它将沟道参数和电流直接联系起来 基本工作原理 上述表达式忽略了寄生电阻RS和RD 其中 Z表示沟道宽度 b x 是沟道有效深度 q 电子电荷 n x 是电子浓度 v x 是电子的速度 与穿过沟道的电场有关 注意 当v x 饱和时 ID也会饱和 这个饱和电流就称为IDSS 基本工作原理 现在 考虑栅电极的影响 将栅极放在沟道上方 不加任何栅偏压 VG 0 栅极下方会形成一个耗尽区 因此沟道的有效深度b x 减小了 相应的栅下方电阻增加了 耗尽区的深度依赖于穿过肖特基结的电压降 当电流在沟道中流动时 可等效为电流流过一个分布式的电阻器 在沟道末端漏极的电压降大于源极 导致了耗尽区的深度并不均匀 在沟道靠近漏极一侧深度更大 基本工作原理 沟道深度的不均匀对器件的运行会产生两个影响 第一 在耗尽区靠近源极一侧 会形成电子积累 而在耗尽区靠近漏极一侧 则形成电子耗尽 这些电荷形成的偶极子会在漏极和沟道之间产生反馈电容 称为CDC 第二 偶极子的电场会叠加在原来的电场之上 在较低的VD下 导致饱和条件的发生 基本工作原理 在栅结上增加偏压 则耗尽区的深度 沟道电阻和饱和电流均可以控制了 如果外加一个足够大的负偏压 耗尽区的宽度将等于沟道的深度 沟道将被夹断 这个栅偏压就称为夹断电压 可表示为 基本工作原理 在夹断条件下 漏电流有非常微小的下降 因此 晶体管可以用作电压控制的开关 VT Vbi Vp其中VT表示阈值电压 只有VGS超过VT 器件才能有导电沟道 而进入导通状态 基本工作原理 微波器件最常用的品质因数是增益带宽 最高振荡频率和截止频率 截止频率定义为MESFET短路电流增益下降为1时的频率 对于GaAs 在典型沟道掺杂时 vsat大约为6x1010mm s 对于大于10GHz的fT 栅长L必须小于1mm 受工艺和击穿电场的双重限制 L的极限值是0 1mm 基本工作原理 栅对沟道的有效控制要求栅长L必须大于沟道深度a 即L a 1 对于大多数GaAsMESFETs 要求沟道深度在0 05到0 3mm之间 小的沟道深度需要沟道内的载流子浓度尽可能的高以维持大电流 MESFET应用 对于MESFETs GaAs优于Si源于两个重要的优势 一 室温下的迁移率是硅的5倍 饱和速度是硅的两倍 二 由于自由载流子会吸收微波功率 而GaAs半绝缘衬底有望消除吸收微波功率的问题 MESFET应用 高频器件 蜂窝式电话 cellularphones 人造卫星接收器 雷达 微波器件 GaAs是MESFETs最主要的材料 GaAs有高的电子迁移率 一般而言 当f 2GHz GaAs晶体管 当f 2GHz Si晶体管 HEMT HighElectronMobilityTransistor HEMT结构 HEMT是一种异质结MESFETAlGaAs GaAs异质结HEMT的结构 在宽禁带的AlGaAs层 控制层 中掺有施主杂质 在窄禁带的GaAs层 沟道层 中不掺杂 即为本征层 AlGaAs层通常称为控制层 它和金属栅极形成肖特基势垒结 和GaAs层形成异质结 工作原理 这里AlGaAs GaAs就是一个调制掺杂异质结 在其界面 本征半导体一边处 就构成一个电子势阱 势阱中的电子即为高迁移率的二维电子气 2 DEG 这种2 DEG不仅迁移率很高 而且在极低温度下也不 冻结 则HEMT有很好的低温性能 可用于低温研究工作中 异质结界面附近的另一层很薄的本征层 i AlGaAs 是用于避免势阱中2 DEG受到n AlGaAs中电离杂质中心的影响 以进一步提高迁移率 能带图 AlGaAs的禁带宽度比GaAs大 所以它们形成异质结时 导带边不连续 AlGaAs的导带边比GaAs的高 实际上就是前者的电子亲和能比后者的小 结果电子从AlGaAs向GaAs中转移 在GaAs表面形成近似三角形的电子势阱 若n AlxGa1 xAs层厚度较大 掺杂浓度又高 则在Vg 0时就存在有2 DEG 为耗尽型器件 反之则为增强型器件 但该层如果厚度过大 掺杂浓度过高 则工作时就不能耗尽 而且还将出现与S D并联的漏电电阻 总之 对于HEMT 主要是要控制好宽禁带半导体层 控制层的