第四章-MESFET分析PPT课件

1,第四章金属半导体场效应晶体管,中国计量学院光电学院,.,2,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,.,3,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,.,4,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,.,5,2.接触电势差,Ev,q,Ws,(a)接触前,.,6,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,.,7,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.,.,8,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Vs0,能带向上弯曲,qVD,.,9,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,Vms0,则接触电势差大部分降落在空间电荷区,.,10,半导体一边的势垒高度,金属一边的势垒高度,.,11,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(VsWs,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。,.,12,Wm0)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。,.,13,Ec,Ev,EF,Ws-Wm,-Wm,金属和n型半导体接触能带图,(WmWs,Wm0,qns,qV,q(Vs)0+V,因Vs2GHz:GaAs晶体管。当f2GHz:Si晶体管。,49,HEMT,HighElectronMobilityTransistor,.,50,HEMT结构,.,51,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,.,52,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。,.,53,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,.,54,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掺杂浓度和厚度，特别是厚度。,.,55,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，称之为二维电子气（2DEG）HEMT又称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET）、二维电子气场效应晶体管（2-DEGFET）、选择掺杂异质结晶体管(SDHT)等HEMT是利用具有很高迁移率的所谓二维电子气来导电的。,.