第五章 化合物半导体器件

1、第五章第五章 化合物半导体器件化合物半导体器件 异质结双极晶体管异质结双极晶体管 化合物半导体场效应晶体管化合物半导体场效应晶体管 量子器件与热电子器件量子器件与热电子器件 光电器件光电器件 异质结双极晶体管异质结双极晶体管 异质结双极晶体管（Heterojunction Bipolar TransistIor， HBT）是指晶体管中的一个或两个pn结由不同的半导体材 料所构成 化合物双极型晶体管大多采用异质结构 提高双极型晶体管电流增益：提高发射极注入效率 异质结构可以提高pn结的注入比，可以提高晶体管的注入 效率 HBT的基本结构的基本结构 Npn HBT结构的截面图 n型发射区：宽禁带A

2、lGaAS p型基区：窄禁带GaAs 集电区：低掺杂和高掺杂的n型GaAs 发射结为异质结，集电结为同质结单异质结双极晶体管 在发射区接触和AlGaAs层之间加一层高掺n型GaAs层形成欧姆接触 发射区和基区材料间的禁带宽度差 提高共射电流增益 突变结和组分渐变异质结突变结和组分渐变异质结 （a）突变发射结HBT的能带图（b）渐变发射结HBT的能带图 HBT的增益的增益 expexp gEgBg EE BB EEE NN NkTNkT 理想理想I-IBT的增益：的增益：共射极电流增益共射极电流增益 NB、NE分别为基区受主和发射区施主的浓度 器件的放大特性除了与掺杂浓度有关，还与异质结能带差有

3、关 如果HBT的发射区半导体禁带宽度比基区宽0.2eV， 室温下电流增益可以比相同掺杂的普通晶体管提高2191倍 考虑界面复合后考虑界面复合后HBT的增益的增益 AlGaAs-GaAs HBT的电流增益与发射极电流的关系（300K） n是理想因子，当导带上的势垒尖峰在平衡时没有伸出，则 n=1。如果尖峰露出了p区的导带底，则 1n 耗尽区中的复合电流是发射极异质结电流中的重要成分 HBT的频率特性的频率特性 异质结注入比大的优点并不完全被利用来提高增益，更重要的 是在保证足够增益的同时来提高晶体管的频率特性 同质结晶体管主要依靠发射极高掺杂，基区低掺杂的方法提高 注入比 异质结晶体管则可以在保

4、证相同注入比的条件下降低发射极掺 杂，提高基区掺杂，进而提高晶体管的频率特性 最大振荡频率：Rb的减小晶体管的最大振荡频率也增加 开关时间：开关时间直接由基区电阻Rb和基区渡越时间决定 宽带隙集电区：当集电结正向偏置时，可以阻止空穴从基区向 集电区注入，这类似于宽带隙发射区效应 先进的先进的HBT Si-SiGe HBT -V族化合物基HBT GaAs/AlGaAs HBT：GaAs/AlxGa1-xAs材料晶格匹配好、 带隙范围大、迁移率高，GaAs载流子在强场情况下出现 的速度过冲现象可以大大减小渡越时间，良好性能的 GaAs半绝缘衬底使得器件和互连之间的绝缘简单易行 InGaAs/InP

5、 HBT：采用InGaAs作基区，用InAlAs或InP 作宽带隙发射区而得到的HBT具有电子迁移率高、表面复 合小、器件尺寸小、衬底热导率高等优点 化合物半导体场效应晶体管化合物半导体场效应晶体管 场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET） 金属半导体场效应晶体管 高电子迁移率晶体管 金属半导体肖特基接触金属半导体肖特基接触 金属一半导体接触称作肖特基接触（Schottky Contact）：在MESFET中，金属栅与其下的半导体材 料形成的金属半导体结具有整流特性 欧姆接触：金属一半导体之间也可以形成非整流接触，这 种非整流金属半导体接触则称为欧姆接触。 能带结

6、构能带结构 两者接触后，电子从半导体流向金属 半导体表面会逐渐产生电子耗尽 表面正电荷密度也随之增加 正电荷分布在半导体表面一定厚度的空间区域内空间电荷区 空间电荷区内存在内建电场，造成能带弯曲 接触电势差大部分降落在空间电荷区 Wm-Ws Dms qVWW BDnmsnm qqVEWWEW （a） ms WW，p型半导体 （b），n型半导体 （c）欧姆接触 伏安特性 ms WW，n型半导体 （b），p型半导体 （c）肖特基接触 伏安特性 ms WW ms WW （a） p型阻挡层 多子反阻挡层 元素银Ag金Au钨W铂Pt铝Al铬Cr钛Ti镍Ni钼Mo钯Pd Wm(e V) 4.265.14.

7、555.654.284.55.655.154.65.12 几种常用金属的功函数 几种常用半导体的电子亲和能 半导体SiGaAsAlAsAlSbGaP (eV)4.014.073.53.64.0 在实际的肖特基二极管中，半导体表面存在可以充当施主 或受主的表面态，影响表面电势，使势垒高度发生改变。 基本模型基本模型 耗尽区电场分布： xW D xqN处， xW 0 x处 ， 电荷密度： D xqN , 0 D dd qN E xxxxx 耗尽区电势分布： 2 , 0 2 D dd qN V xxxxx 耗尽区宽度： 2 D d D V x qN 最大电场： max 2 DdDD qN xqN V

8、 E ND是n型半导体的掺杂浓度，是耗尽层宽度，为半导体介电常数 在肖特基接触上施加外加偏压时，耗尽区的宽度变为 0 2 sD D VV W qN 半导体内的空间电荷面密度则为 0 s 为真空介电常数 为半导体的相对介电常数 2 0 2 (C/cm ) SCDsDD QqN WqNVV 单位面积的耗尽区电容为 20 (F/cm ) 2 SCsD D QqN C VVV 2 0 2 1/ D sD VV C qN （a）正向偏压 （b）反向偏压 对于肖特基接触，肖特基结上存在着势垒 当在金属和半导体上外加偏压V，势垒高度会随之发 生的变化 对于肖特基接触，电流主要由多子决定， 而对于pn结来说，

9、电流则主要由少子决定 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.耗尽区电子扩散； 5.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 金属半导体场效应晶体管（金属半导体场效应晶体管（MESFET） 器件参数：栅长L，栅宽Z， 外延层厚度a 高电子迁移率，高平均飘移速度 （a）耗尽型MESFET （b）增强型MESFET 栅压负向增大，沟道逐渐夹断，关闭。 栅压正向增大，沟道层形成，开启 两种工作模式器件特性的比较 工作原理工作原理 栅源之间负向电压的大小将改变 栅接触下沟道的空间电

10、荷区厚度， 从而改变沟道电导 电流一电压特性 负阻效应与高场畴 高频特性 噪声理论 功率特性 调制掺杂场效应晶体管调制掺杂场效应晶体管 调制掺杂场效应晶体管（Modulation Doped Field Effect Transistors，MODFET） 高电子迁移率晶体管（High Electron MObility TrarlsistIOrs，HEMT） 调制掺杂结构调制掺杂结构 （a）达到化学平衡前 （b）达到化学平衡后 调制掺杂GaAs-AlGaAs异质结能带图 在宽带隙的AlGaAs中掺以施主杂质，而GaAs层不掺杂 宽带隙的AlGaAs中的电子将向窄带隙的GaAs中转移，形成电子

11、的耗尽层 GaAs层中的电子被限制在量子势阱,二维电子气（2DEG）体系 调制掺杂异质结使GaAs层中有很高的电子浓度 ,电子迁移率大大提高 基本原理基本原理 GaAs/AlGaAs MODFET结构 不同d0下，迁移率随面电子 密度的变化情况 未掺杂AlGaAs层的厚度d0 的影响 d0很厚 传输到量子阱的 概率就会降低 d0的减小，二维电子气浓度的 增大，载流子所受到的电离杂 质散射、晶格振动散射和界面 粗糙度散射都将加剧迁移 率有所下降 （a）VG=0 （b）VG=VT （c）VGVT 不同偏压下的导带结构不同偏压下的导带结构 设势垒区为均匀掺杂，浓度为ND， 夹断电压Vp可通过从0d对

12、电场积分得到 2 0 00 2 d D pD ss qN dq VNz zdz 阈值电压VT ，栅下开始形成2DEG 沟道层时的电压。在能带图上反映 为GaAs导带底与费米能级重叠时 的栅极电压 c TBnp E VVV q 常关型，增强型 量子器件（量子器件（Quantum Effect Devices） 1、隧道二极管：基于量子隧道现象的一种器件 a）一维势垒，（b）波函数穿过势垒的示意图 为了具有一定的穿透系数，隧道距离d要小， 势垒高度要低，有效质量要小。 典型的pn结隧道二极管的能带结构 当外加偏压为零时，没有隧道电流流过 当外加偏压外加偏压时，载流子有 可能从一侧的导带隧穿到 另一

13、侧的价带，或者从一 侧的价带隧穿到另一侧的 导带 载流子发生隧穿的条件条件是： 在结的两边，一侧具有被 占据的能量状态，另一侧 具有空的能量状态，且两 边的能量状态位于同一能 级上 2、 共振隧道二极管共振隧道二极管 双异质势垒的共振隧穿：一层具有较窄带隙的半导体 材料夹在两层具有较宽带隙的半导体材料之间，形成一个 量子阱和两个势垒的结构 有限深势阱的隧穿效应 谐振隧穿结构导带图 （只显示最低的分立能级） 当某个入射电子的能量恰好等于量子阱中的分立能级 则电子将会以100的隧穿系数隧穿双势垒 热电子器件热电子器件 热电子（hot-electron）是指动能远大于kT的电子 半导体器件尺寸缩小，

14、导致内部电场变大，器件有源区内 有相当比例的载流子会处于高动能状态。在某一特定的时 间与空间点上，载流子的速度分布可能是极窄的尖峰，称 为“弹道（ballistic）”电子束 热电子异质结双极晶体管（hot-electron HBT） 实空间转移晶体管（real space transfer transistor） 热电子异质结双极晶体管的能带图 采用宽禁带半导体材料作为发射区 在电场作用下，电子以热发射的形式越过发射结势垒 以较快的弹道传输取代相对较慢的扩散 缩短电子在基区内的渡越时间 GaAs势阱内的电子迁移率很高 AlGaAs势垒层中的电子迁移率很低 平行于异质结的方向上加电场，势阱中的电子将很容易被加热 热电子在实际空间中的转移热电子在实际空间中的转移 电子在空间的转移将