半导体器件物理2008-杜刚 第三章

半导体器件物理 肖特基栅场效应晶体管 肖特基栅场效应晶体管 MESFET 半导体器件物理 真实的真实的GaAs MESFET典型结构典型结构 实际的实际的GaAs MESFET是在半绝缘是在半绝缘GaAs衬底上由离子 注入或薄膜生长形成的 衬底上由离子 注入或薄膜生长形成的n型型GaAs薄层上制作的 采用半绝缘衬底是为了减小寄生电容 沟道 薄层上制作的 采用半绝缘衬底是为了减小寄生电容 沟道 衬底电 容 和便于器件之间的隔离 衬底电 容 和便于器件之间的隔离 半导体器件物理 在正常工作条件下 栅压在正常工作条件下 栅压VGS应小于肖特基结的 正向导通电压 以避免明显的栅极漏电流 对 应小于肖特基结的 正向导通电压 以避免明显的栅极漏电流 对n GaAs MESFET VGS的最高限约为的最高限约为 0 7V 与与JFET相比 相比 MESFET在工艺和制作方面有某些 优点 例如 金属 在工艺和制作方面有某些 优点 例如 金属 半导体肖特基势垒在低温下形 成 因而可以采用 半导体肖特基势垒在低温下形 成 因而可以采用GaAs这样电子迁移率高和饱 和速度大的化合物半导体材料 而得到开关速度 快使用频率高的器件 这样电子迁移率高和饱 和速度大的化合物半导体材料 而得到开关速度 快使用频率高的器件 n沟沟GaAs MESFET是目前常见的器件 在微波和 高速数字电路方面有许多重要应用 是目前常见的器件 在微波和 高速数字电路方面有许多重要应用 半导体器件物理 半导体器件物理 夹断电压和阈值电压夹断电压和阈值电压 n GaAs层均匀掺杂 肖特基结的耗尽层厚度为 层均匀掺杂 肖特基结的耗尽层厚度为 2 yVVV qN yh GSbi D S V y 是沟道内y处相对源端的电势 漏端处V y L VDS VGS是栅压 y处肖特基势垒上的总电压为Vbi VGS V y h a时 势垒耗尽层边界和衬底接触 相应的总电势称为 夹断电压 源端处V y 0 0 势垒耗尽层边界和衬底接触的临界栅压 2 0 2 D p qN a V Tbip V V V VT阈值电压 半导体器件物理 饱和电压饱和电压VDsat VGS超过超过VT 器件才会有 导电沟道 进入导通状态 器件才会有 导电沟道 进入导通状态 器件导通时 随着V器件导通时 随着VDS DS的增 加 漏端沟道厚度逐渐减 薄 当漏端耗尽区与衬底 接触时 称为漏端夹断 对应的源漏电压V 的增 加 漏端沟道厚度逐渐减 薄 当漏端耗尽区与衬底 接触时 称为漏端夹断 对应的源漏电压VDS DS 称为 饱和电压 记为 称为 饱和电压 记为VDsat TGSGSbipDsat VVVVVV 半导体器件物理 电流电压特性电流电压特性 恒定迁移率模型恒定迁移率模型 假定假定VDS不是很高 沿沟道方向的电场强度 处处低于速度饱和电场 不是很高 沿沟道方向的电场强度 处处低于速度饱和电场 沟道沟道y处的电流密度为 处的电流密度为 n n是常数是常数 yqNyJ nD dy ydV y 半导体器件物理 Z a h y 为沟道截面积为沟道截面积 h y 为为y处耗尽层厚度 由 可得 处耗尽层厚度 由 可得 Zyha dy dV qNI nDDS ZdVyhaqNdyI nDDS dhyh qN dV S D 2 yVVV qN yh GSbi D S 半导体器件物理 对上式积分对上式积分 22 D DSn S q N IdyZah y h y dh 22 2233 2121 2 23 nD DS S Zq N Ia hhhh L 2 1GSbi D S VV qN h 2 2DSGSbi D S VVV qN h 半导体器件物理 其中其中 3 2 3 2 2 32 3 p GSbi p biGSDS p DS pDS V VV V VVV V V II L aNqZ I S Dn p 2 322 S D p aqN V 2 2 半导体器件物理 电流电压特性电流电压特性 半导体器件物理 线性区线性区 漏电导 沟道电导 为漏电导 沟道电导 为 GSbiDS VVV DS p GSbiDn DS p GSbi p p DS V V VV L ZaNq V V VV V I I 1 1 2 12 1 1 2 1 nDbiGSnD D p qN ZaVVqN Z ah g LVL 沟道厚度 a h 和漏电压无关 这时从源到漏形成近似均匀的导电沟 道 厚度随栅压的增加而增加 跨导为 跨导为 1 21 2 2 22 pp nDS mDSDS pbiGSbiGS IV ZqN gVV VVVLVV GS DS D DS V I g V DS DS m GS V I g V 半导体器件物理 饱和区饱和区 理想情况下 IDsat不是VDS的函数 gD 0 实际上 随VDS的增 加 夹断点从漏向源端移动 有效沟道长度缩短 饱和区有非 零的沟道电导 跨导为 跨导为 3 2 3 1 2 3 p GSbi p GSbi pDsat V VV V VV II TGSGSbipDsat VVVVVV L haZNq V VV L ZaNq V I g Dn p GSbiDn V GS DS m DS 1 2 1 半导体器件物理 FET沟道长度减小沟道长度减小 沿沟道的电场增强 沿沟道的电场增强 电子漂移速度达到饱和电子漂移速度达到饱和 漏极电流饱和漏极电流饱和 对对GaAs 速度饱和以后 由于电子发生谷间转 移 在速度饱和区出现一个偶极层 增加的漏压降 落在该偶极层上 速度饱和以后 由于电子发生谷间转 移 在速度饱和区出现一个偶极层 增加的漏压降 落在该偶极层上 半导体器件物理 假定沟道电子以恒定的有效饱和漂移速度假定沟道电子以恒定的有效饱和漂移速度vS 运动 大约运动 大约1 2 107cm s 饱和电流直接受耗尽层厚度饱和电流直接受耗尽层厚度h和沟道深度和沟道深度a 之差调制 这就是饱和速度模型之差调制 这就是饱和速度模型 1 2 1 p GSbi DSLDSLDS V VV aZNqvhaZNqvI 2 1 2 GSbi SD SLm VV qN Zvg 饱和电流饱和电流 半导体器件物理 MESFET的频率特性MESFET的频率特性 半导体器件物理 MESFET的频率特性MESFET的频率特性 输入电流为输入电流为 输出电流为输出电流为 其中其中CG CGS CGD CGS是栅源之间的结电容 是栅源之间的结电容 CGD是栅漏之间的 结电容 是栅漏之间的 结电容 截止频率为两者相等时频率截止频率为两者相等时频率 GSGDGSi VCCfi 2 GSmD Vgi Di ii G m T C g f 2 半导体器件物理 设栅沟道二极管的平均耗尽层厚度为设栅沟道二极管的平均耗尽层厚度为a 2 则栅 电容为 则栅 电容为 根据定义根据定义 有有 从而从而 a LZ a LZC SS G 2 2 1 2 T f DSG mG GG IQ gC VV G DS Q I 1 m G g C 渡越时间 半导体器件物理 长沟器件 源漏电场较低情形长沟器件 源漏电场较低情形 线性区线性区 Lg为栅长 为栅长 n为恒定的低场迁移率 为恒定的低场迁移率 VDS为外加漏源电压 短沟器件 高电场下载流子速度饱和 为外加漏源电压 短沟器件 高电场下载流子速度饱和 vS为饱和漂移速度为饱和漂移速度 2 0 gg nnDS LL V 渡越时间 g S L v 1 22 S T g v f L 半导体器件物理 MESFET特性特性 L aNqZ I S Dn p 2 322 2 2 1 2 2 nDS g T S g V L f v L 长沟 低源漏场 短沟 速度饱和 MESFET适于使用具有高载流子迁移率的材料适于使用具有高载流子迁移率的材料 半导体器件物理 硅 硅 GaAs及一些宽禁带半导体 的材料特性 及一些宽禁带半导体 的材料特性 半导体器件物理 GaAs载流子漂移速度与电场关系载流子漂移速度与电场关系 半导体器件物理 高电子迁移率晶体管高电子迁移率晶体管 HEMT HEMT 半导体器件物理 Heterojunction and HEMT Band Offset High electron mobility transistor HEMT 也称为调制掺杂场效应晶 体管MODFET 2DEG场 效应晶体管TEGFET 半导体器件物理 器件结构及特点器件结构及特点 n沟道沟道AlGaAs GaAs HEMT的基本结构的基本结构 半导体器件物理 Gate n barrier layer e g Al Ga As x1 x Undoped channel layer e g GaAs e g GaAs S I substrate EE FC 2DEG2DEG n沟道沟道AlGaAs GaAs HEMT的基本 结构和能带图 的基本 结构和能带图 2DEG Two Dimensional Electron Gas AlGaAs GaAs HEMT中的中的2DEG 17 半导体器件物理 AlGaAs GaAs 中中2DEG的形成的形成 2DEG与电离杂质原子在空间上分离与电离杂质原子在空间上分离 高的载流子迁移率 高的载流子迁移率 EF EV EC EF EV EC AlGaAsGaAs EF EV EC 2DEG AlGaAs GaAs EC EV 半导体器件物理 异质结构异质结构 2DEGs的特性的特性 Heterojunction Type 0 cm2 Vs nS cm 2 EG eV EC eV Al0 3Ga0 7As GaAs 54001 4 x 1012 2 2 x 1012 3 0 x 1012 1 3 x 1013 0 380 22 Al0 3Ga0 7As In0 2Ga0 8As 64000 580 41 In0 52Al0 48As In0 53Ga0 47As 10 0000 710 52 Al0 3Ga0 7N GaN 1 4000 60 42 18 半导体器件物理 半导体器件物理 半导体器件物理 AlGaAs层的厚度和掺杂浓度决定器件的阈值 电压 正常情形下应使之完全耗尽 层的厚度和掺杂浓度决定器件的阈值 电压 正常情形下应使之完全耗尽 如果如果AlGaAs层较厚或掺杂较高 则栅压为零 时 异质结界面处 层较厚或掺杂较高 则栅压为零 时 异质结界面处GaAs表面的电子势阱内已 经有电子存在 此时 表面的电子势阱内已 经有电子存在 此时HEMT是耗尽型的 是耗尽型的 如果如果AlGaAs层较薄或掺杂较低 则栅压为零 时 电子势阱内没有有电子存在 此时 层较薄或掺杂较低 则栅压为零 时 电子势阱内没有有电子存在 此时HEMT 是增强型的 是增强型的 当势阱较深时 电子基本上被限制在势阱宽度 所决定的薄层内 称为二维电子气2DEG 当势阱较深时 电子基本上被限制在势阱宽度 所决定的薄层内 称为二维电子气2DEG 半导体器件物理 2DEG费米势与浓度的关系2DEG费米势与浓度的关系 F0F s EE N qq T 300K EF0 0 0 125x10 6Vcm 2 半导体器件物理 Bn是金属接触的势垒高度 VG是栅压 EC是异质结材料导带边的能量差 EF q是2DEG的费米势 2是控制层GaAs材料的介电常数 括号内表示的是控制层上的电压降 从能带图可以写出 整理后写出 2 0 2 2 cFD TBn EEqN Vd qq 2 SGST qNVV dd o 2 80Ad q 阈值电压 2DEG有效厚度 q E q E xdxxN q d qN V FC d D S GBn 0 22 半导体器件物理 HEMT源漏加电压源漏加电压VDS时 时 2DEG成为导 电沟道 采用与 成为导 电沟道 采用与MESFET相同的坐标定 义方法 沟道内 相同的坐标定 义方法 沟道内y处处 或或 NS0是源端的电荷浓度 是源端的电荷浓度 2 yVVV dd yqN TGSS 2 0 yV dd qNyqN SS 半导体器件物理 HEMT电流和电压的关系电流和电压的关系 长沟道器件 沟道电流为 长沟道器件 沟道电流为 积分得 积分得 dy ydV yVVV dd ZyyZqNI TGSSDS 2 2 2 2DS DSTGSDS V VVV ddL Z I 半导体器件物理 VDS增加到增加到VDsat VGS VT qNS L 0 即沟道 在漏端夹断 电流达到饱和 饱和电流为 即沟道 在漏端夹断 电流达到饱和 饱和电流为 短沟道器件 短沟道器件 L 1 m 强电场下电子以饱和 速度 强电场下电子以饱和 速度vSL运动 漏极电流为 运动 漏极电流为 2 0TGS SL SLSDS VV dd Zv ZvqNI 22 2 TGSDS VV Ldd Z I 半导体器件物理 非饱和时 器件的跨导为非饱和时 器件的跨导为 饱和时 长沟道器件 短沟道器件 饱和时 长沟道器件 短沟道器件 DSm V ddL Z g 2 2 TGSm VV Ldd Z g dd vZ g SL m 2 器件的跨导器件的跨导 半导体器件物理 截止频率截止频率 其中