第五章金属半导体场效应晶体管PPT课件

.,1,化合物半导体器件CompoundSemiconductorDevices微电子学院戴显英2011.6,.,2,金属半导体肖特基接触MESFETHEMT,第五章化合物半导体场效应晶体管,.,3,场效应晶体管,场效应晶体管（FieldEffectTransistor,缩写为FET）是一种电压控制器件，其导电过程主要涉及一种载流子，也称为“单极”晶体管,.,4,场效应晶体管的分类,.,5,5.1金属半导体肖特基接触,5.1.1能带结构,5.1（a）接触前的金属半导体能带图，真空能级处处相同，而费米能级不同；（b）接触后的金属半导体能带图，费米能级处处相同,1)势垒高度,以金属/n型半导体接触为例，假定m(Wm)s(Ws),.,6,图5.2形成整流接触的两种情况：（a）ms，n型半导体；（b）mWs,.,8,5.1金属半导体肖特基接触,图5.6载流子通过肖特基势垒的输运过程1、电子从半导体出发，越过势垒顶部热发射到金属中；2、电子穿过势垒的量子隧穿效应；3、在空间电荷区的复合；4、空穴从金属注入半导体，等效于半导体中性区的载流子的复合。,2)电流模型,扩散模式：适于厚的阻挡层(XDln),热电子发射模式：适于轻掺杂、薄阻挡层(lnXD),隧道效应：（引起势垒高度降低）,镜像力效应：（势垒顶向内移动，使势垒降低）,.,9,5.1金属半导体肖特基接触,5.1.3肖特基二极管,1)相同之处：都具有单向导电性（整流特性）,2)不同之处：pn结：少子器件；扩散电流；有电荷存贮效应；高频性能差；JS小于JSD(JST)；导通电压高。Schotty势垒：多子器件；漂移电流；无电荷存贮效应；高频性能好；JSD(JST)远大于JS；导通电压低。,3)应用：高速TTL金属-半导体雪崩二极管肖特基栅场效应晶体管,与pn结二极管相比,2)如何实现,1)定义：,5.1.4欧姆接触,.,10,金属半导体肖特基接触MESFETHEMT,第五章金属半导体场效应晶体管,.,11,5.2MESFET,5.2.1器件结构,1)3个金-半接触,2)器件结构参数,.,12,5.2MESFET,5.2.2工作原理,1)偏置电压,2)沟道电阻,3)输出特性：VGS=0,VDS0;,以耗尽型n沟MESFET为例,沟道未夹断前：线性区,.,13,5.2MESFET,沟道刚被夹断：饱和电压VDsat,沟道夹断后：饱和区,3)输出特性：VGS=0,VDS0;,.,14,5.2MESFET,3)输出特性：VGS=-1,VDS0;,4)转移特性：VDS一定时，ID随VGS的变化规律-跨导gm,5)增强型MESFET:未加栅压（VGS=0）时，沟道就已夹断,.,15,5.2MESFET,5.2.3电流-电压特性,dx,肖克莱缓变沟道近似模型,dy两端的电压降,耗尽层宽度,1)直流I-V特性,电流-电压关系式,.,16,5.2MESFET,5.2.3电流-电压特性,沟道电导,2）直流参数,饱和电流,夹断电压,饱和电压,最大饱和漏极电流,最小沟道电阻,3）交流参数,跨导漏导,.,17,5.2MESFET,5.2.4负阻效应,电子从能谷跃迁到L能谷，n下降。,GaAs、InP和Si材料中载流子的速场关系,.,18,5.2MESFET,5.2.5高频特性,高频小信号分析的方法,实验分析：测S参数,解析模型：从载流子输运机理出发，在器件工艺和结构基础上，进行合理的数学描述。,数值模型：采用有限元或有限迭代方法，求解泊松方程和电流连续性方程,.,19,5.2MESFET,5.2.5高频特性,等效电路：电路的端特性与器件的外部特性是等效的,特征频率fT：=1时的工作频率最高振荡频率fmax：共源功率增益为1时的频率影响频率特性的因素,.,20,5.2MESFET,5.2.6MESFET器件结构举例,结构演变最初形式：有源层直接在半绝缘（SI）衬底上器件特性：噪声特性差原因：衬底上缺陷的影响演变：在衬底与有源层间加一不掺杂的缓冲层目的：减小衬底缺陷的影响器件性能：噪声及增益较有所改善演变：在源、漏金属电极与有源层间插入一n+层目的：减小串联电阻RS、RD演变：凹槽结构作用：降低漏端的电场目的：提供BVDS，增加p0,大部分的MESFET是用n型-化合物半导体制成：具有高的n和较高的饱和速度，故fT很高。,.,21,5.2MESFET,5.2.6MESFET器件结构举例,2)栅结构半绝缘栅：在栅电极与有源层间加一SI区作用：减小电容Cg,减低栅极反向漏电；提供BVGS,改善微波特性。栅缓冲层：在栅电极与有源层间加一缓冲层作用：与相同埋（层）栅：作用：与凹型槽栅相似自对准栅：作用：减少表面能级的影响双栅：G1是信号栅，G2是控制栅优点（与单栅比）：两个栅极可分别控制；漏端一侧的G2可减小器件内部反馈，从而提高增益，增加稳定性。,.,22,5.2MESFET,5.2.6MESFET器件结构举例,3)异质结MESFET双异质结MESFETG极：金属Al；层：Al0.48In0.52As，60nm；层：Ga0.47In0.53As，145nm；（有源层或沟道层）层：Al0.48In0.52As，100nm；衬底：(100)InP。优点：GaInAs比GaAs具有更高的低场n和vp，从而使器件具有较高的gm和工作速度；AlInAs与InP衬底晶格匹配好，可降低界面陷阱。,.,23,5.2MESFET,5.2.6MESFET器件结构举例,3)异质结MESFET具有界面反型的异质结MESFETa.窄禁带材料-GaAs:做在SI衬底上；b.Schotty结：做在宽禁带的n+AlxGa1-xAs上；c.反型层的形成：在异质结界面处的p-GaAs表面（通过调节x、NA、ND）d.器件特性：有较高的gm和工作速度4）GaAs材料的优点（与Si相比）n约高5倍；vp(峰值速度）是Si饱和速度的2倍；半绝缘衬底：漏电小；良好的欧姆接触。,.,24,金属半导体肖特基接触MESFETHEMT,第五章金属半导体场效应晶体管,.,25,5.3HEMT,HEMT:highelectronmobility(fieldeffect)transistor2-DEGFET/TEGFET(two-dimensionalelectrongasfieldeffecttransistor)MODFET:modulation-dopedfieldeffecttransistor,WhyHEMT?,.,26,5.3HEMT,5.3.1基本结构-调制掺杂结构,1)衬底,2)缓冲层,3)高阻掺杂层,4)台面腐蚀,5)淀积金属,.,27,5.3HEMT,5.3.2器件工作原理,1)n+AlxGa1-xAs,2)i-GaAs,3)源、漏两端加电压,.,28,5.3HEMT,5.3.3器件的结构参数设计,n+AlxGa1-xAs层i-GaAs层i-AlxGa1-xAs层n+-GaAs层,以耗尽型为例,5.3.4改进的HEMT结构,缓变组分n+AlxGa1-xAs层超晶格有源层超晶格缓冲层,5.3.5提高2DEG浓度的途径,多沟道HEMTEC尽可能大的异质结,.,29,5.3HEMT,1）能带图2）阈值电压VT3）2DEG的浓度nS,5.3.6HEMT的基本特性,不同偏压下的导带结构（a）VG=0，（b）VG=VT（c）VGVT,.,30,5.3HEMT,5.3.7电流电压特性,1）漏极电流ID2）ID-VDS关系曲线（伏安特性）,.,31,5.3HEMT,5.3.8赝高电子迁移率晶体管-PHEMT,1）PHEMT的器件结构2）PHMET的工作原理3）PHMET的特点,PHEMT能带图,PHEMT结构图,赝：Pseudomorphic，赝形体，赝晶，假晶；应变材料PHEMT:沟道层是赝晶层（应变层）的HEMT,.,32,5.3HEMT,5.3.8赝高电子迁移率晶体管-PHEMT,器件结构：衬底：缓冲层：辅助沟道层：隔离层：沟道层：电子供给层：Schotty接触：帽层：,器件特点：InP辅助沟道具有电子供给层和沟道层的双重作用InGaAs的低场高迁移率和InP的高场高漂移速度高的ns器件特性：高gm：1290ms/m