高电子迁移率晶体管

1、6 6 高电子迁移率晶体管（高电子迁移率晶体管（hemthemt）本章内容本章内容2 1.1. hemthemt的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理 2.2. hemthemt基本特性基本特性 3.3.赝配高电子迁移率晶体管赝配高电子迁移率晶体管(phemt)(phemt) 4.hemt4.hemt应用领域应用领域 6.16.1 hemt hemt的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理3hemt的基本结构就是一个调制掺杂异质结 ，在图中示出了algaas/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）

2、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hemt的基本结构 6.16.1 hemt hemt的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理4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（近似为三角形），势阱中的电子即为高迁移率的二维电子气（2-deg），因为电子在势阱中不遭受电离杂质散射，则迁移率很高。这种2-deg不仅迁移率很高，而且在极低温度下也不“冻结”（即不复合，因为电子与杂质中心在空间上是分隔开的），则hemt有很好的低温性能, 可用于低温研究工作 (如分数量子hall效应) 中。异质结界面附近的

3、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。 6.16.1 hemt hemt的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理5hmet的能带图的能带图：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 6.16.1 hemt hemt的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理6对于gaas体系的hemt，通常其中的n-alxga1-xas控制层应

4、该是耗尽的 (厚度一般为数百nm, 掺杂浓度为 /cm3)。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( vg=0时schottky耗尽层即延伸到i-gaas层内部)；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。17101810 6.16.1 hemt hemt的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理7hemt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-

5、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。 6.26.2 hemt hemt的基本特性的基本特性81、电荷与电压的关系、电荷与电压的关系 022()dscfgdbnqqx xdxqqneevn :金属接触的势垒高度：所加栅压：异质结材料导带边的能量差：2deg的费米势：控制层的介电常数bngvcefqe2 6.26.2 hemt hemt的基本特性的基本特性92、电流与电压的关系、电流与电压的关系1.长沟道： 沟道电流为：此时，跨导为当 增加到 时, 沟道夹断, 即得到饱和电流： 此时 跨导为222dsgstdsdszlddvv

6、vvi2dsmzlddgvdsvdsatgstvvv222dsatgstzdd lvvi2()()dstmdd lzgvv 6.26.2 hemt hemt的基本特性的基本特性102、电流与电压的关系电流与电压的关系1、短沟道（l 1m） ：沟道电流为：电流饱和区的跨导为2sdsatgstzddvvvi2()smddzvg 6.26.2 hemt hemt的基本特性的基本特性11hmet的特点：的特点：u非常高的截止频率ft；u非常高的工作速度；u短沟道效应较小；u噪声性能好 6.36.3赝配高电子迁移率晶体管赝配高电子迁移率晶体管(phemt)(phemt)12phemt(pseudomor

7、phic hemt)即赝配高电子迁移率晶体管。其主要结构特点是用非掺杂的ingaas层代替普通的hemt中的非掺杂gaas层作为2deg沟道层；形成n-algaas/i-ingaas/i-gaas的核心结构。phemt的基本结构以及其能带图6.36.3赝配高电子迁移率晶体管赝配高电子迁移率晶体管(phemt)(phemt)13phemt较之常规hemt有以下优点：uingaas层二维电子气的电子迁移率和饱和速度皆高于gaas，前者电子饱和漂移速度达到了7.41017cm2v-1s-1，后者为4.41017cm2v-1s-1，因此工作频率更高。uingaas禁带宽度小于gaas，因此增加了导带不连续性。300k时gaas禁带宽度为1.424ev，ingaas为0.75ev。uingaas禁带宽度低于两侧algaas和gaas材料的禁带宽度，从而形成了量子阱，比常规hemt对电子又多加了一个限制，有利于降低输出电导，提高功率转换效率。u对ingaas两侧调制掺杂，形成双调制掺杂phemt，双调制掺杂phemt的薄层载流子浓度是常规phemt的二倍，因此有非常高的电流处理能力。对于1m栅长的器件，在300k和77k下已分别达到430ma/mm和483ma/mm的水平。6