半导体器件物理 课件 第3章 结型场效应晶体管

半导体器件物理第三章结型场效应晶体管3.1PN结型场效应晶体管3.2金半结型场效应晶体管3.3调制掺杂场效应晶体管3.4结型场效应晶体管非理想效应3.1PN结型场效应晶体管3.1.1器件结构与原理3.1.2器件直流特性3.1PN结型场效应晶体管3.1.1器件结构与原理PN结型场效应晶体管(PNJunctionField-EffectTransistor，JFET)3.1PN结型场效应晶体管3.1.1器件结构与原理结构源极(Source,S)：载流子供给端漏极(Drain,

D)：载流子接收端栅极(Gate,

G)：晶体管的控制电极工作原理(以N-JFET为例)VGS<0,

VDS>0,P+N结反偏|VGS|增大→耗尽区展宽，主要向沟道侧扩展→沟道有效截面积减小→电阻增大，ID减小N-JFET剖面结构示意图JFET：反偏PN结控制导电沟道e-VGS≤0VDS>03.1PN结型场效应晶体管3.1.1器件结构与原理

电压控制型三端器件栅-源VGS电压控制源漏电流ID

高输入阻抗栅区与沟道形成的PN结处于反偏状态

耗尽型器件在零栅压下场效应晶体管处于导通状态

单极性器件输出电流主要由多数载流子的漂移运动产生

体型场效应晶体管沟道在半导体体内，载流子不易受半导体表面缺陷影响，迁移率较高JFET的基本特点3.1PN结型场效应晶体管3.1.2器件直流特性010203两种曲线：输出特性曲线、转移特性曲线三个理想假设:渐变沟道近似器件主要受垂直沟道的电场作用，沿沟道方向电场很弱，沟道宽度沿沟道方向近似不变。迁移率恒定载流子迁移率为常数，不随电场强度变化。长沟道不同偏压下引起的沟道长度变化可忽略。3.1PN结型场效应晶体管3.1.2器件直流特性栅极偏压VGS固定，改变漏源电压VDS，记录漏极电流ID线性区VDS很小，栅极电势与源漏极近似电势相同，所形成P+N结耗尽区近似等于平衡态下耗尽区的宽度，沟道近似为定值电阻，ID与VDS近似近似线性线性区输出特性3.1PN结型场效应晶体管3.1.2器件直流特性栅极偏压VGS固定，改变漏源电压VDS，记录漏极电流ID输出特性过渡区VDS增大，ID随之增大，但漏极一侧P+N结反偏更强，耗尽区从源极到漏极逐渐展宽，沟道电阻随VDS增大而增大，输出曲线偏离线性过渡区3.1PN结型场效应晶体管3.1.2器件直流特性栅极偏压VGS固定，改变漏源电压VDS，记录漏极电流ID输出特性饱和区VDS继续增大，耗尽区在沟道漏侧上产生交叠，沟道发生夹断，ID保持不变，达到饱和饱和区夹断电压VP：沟道夹断的临界栅漏电压的绝对值|VGD|饱和漏极电流ID(sat)：沟道夹断后的漏极电流3.1PN结型场效应晶体管3.1.2器件直流特性N-JFET输出特性曲线簇思考：为什么沟道夹断后电流趋于饱和而非归零？|VGS|增大→沟道有效面积更小→ID(sat)减小沟道发生夹断后，夹断区成为漏源间电阻最大的区域，VDS

的增量主要落在夹断区，形成强电场。进入夹断区的载流子被快速扫至漏极，漏极电流主要受未夹断区载流子供应能力限制。3.1PN结型场效应晶体管3.1.2器件直流特性转移特性源漏电压VDS固定，改变栅极偏压VGS，记录漏极电流IDN-JFET转移特性曲线JFET的转移特性近似满足平方律关系VGS=0时，饱和漏极电流最大，记为IDSS。当|VGS|>VP

时，器件进入截止区3.1PN结型场效应晶体管3.1.2器件直流特性夹断电压VP耗尽区宽度边界条件关于VP的方程求解方程夹断电压VP3.1PN结型场效应晶体管3.1.2器件直流特性夹断电压VP的讨论夹断电压本征夹断电压饱和源漏电压

3.1PN结型场效应晶体管3.1.2器件直流特性漏极电流ID——非饱和区体积元电阻电阻率、欧姆定律微分方程两边积分零偏置下的跨导z方向沟道宽度W2·h(y)3.1PN结型场效应晶体管3.1.2器件直流特性漏极电流ID——饱和区z方向沟道宽度W2·h(y)微分方程两边积分方法一方法二非饱和区代入3.1PN结型场效应晶体管3.1.2器件直流特性关于漏极电流ID

的讨论ID(sat)

随VGS

的减小而下降。当VGS=0时，饱和漏极电流达到最大值IDSS3.1PN结型场效应晶体管3.1.2器件直流特性跨导gm栅极输入电压对输出电流的控制能力

通过增大沟道宽长比W/L、沟道掺杂浓度ND、电子迁移率μn

等，可以提高G0，进而增大JFET饱和区跨导3.2金半结型场效应晶体管3.2.1器件结构与原理3.2.2器件直流特性3.2金半结型场效应晶体管JFET的主要限制工艺限制制造工艺相对复杂不利于大规模集成电容与速度限制势垒电容与扩散电容电荷存储效应材料限制通常以Si为沟道材料迁移率较低，耐受性受限使用金属—半导体接触形成的肖特基结代替PN结作为栅控结构。栅压改变肖特基结耗尽层宽度，进一步改变沟道有效导电宽度。输出漏极电流由沟道电导变化进行调控，基本工作机理与JFET相似。MESFET的核心思路3.2金半结型场效应晶体管3.2.1器件结构与原理结构组成源极S：提供多数载流子漏极D：收集多数载流子栅极G：通过肖特基结耗尽层调制沟道半绝缘衬底：降低沟道-衬底寄生电容栅极金属与沟道半导体形成肖特基结→施加栅压调节耗尽层宽度→耗尽向沟道扩展，沟道有效宽度减小，电阻增大→漏极电流减小制备工艺简单只需在半导体表面沉积金属易于微型化和大规模集成开关速度快肖特基结势垒电容小无扩散电容高频高温性能优异III-V族材料迁移率高禁带宽度大，耐温耐压器件原理3.2金半结型场效应晶体管3.2.2器件直流特性线性区饱和区VDS很小时，沟道近似定值电阻ID与VDS近似呈线性关系VDS

↑，耗尽区向沟道扩展沟道电阻增加，曲线斜率增加漏端附近夹断，ID饱和过渡区3.2金半结型场效应晶体管3.2.2器件直流特性a：沟道宽度;ND:N型半导体掺杂浓度;εs:半导体相对介电常数φms与金属功函数、半导体电子亲和势和导带有效状态密度有关φms与在N-MESFET中，当VDS增加到VDS(sat)时，漏端开始夹断夹断电压金半功函数电势差3.2金半结型场效应晶体管3.2.2器件直流特性跨导越大，栅极电压对漏极电流的控制能力越强增大沟道宽长比W/L、掺杂浓度ND

或电子迁移率μn，可提高G0

并增强跨导这些参数为MESFET高频性能和电流驱动能力设计提供依据漏极饱和电流零偏置跨导饱和区跨导3.3调制掺杂场效应晶体管3.3.1器件结构与原理3.3.2器件直流特性3.3.3器件主要优势3.3调制掺杂场效应晶体管降低工作电压提高工作速度提高沟道掺杂浓度增加器件跨导增加栅控能力降低沟道掺杂浓度减弱电离杂志散射提高载流子迁移率矛盾同一沟道上很难同时靠改变掺杂提升两类性能。3.3调制掺杂场效应晶体管3.3.1器件结构与原理异质结形成2DEG：把高载流子浓度放进未掺杂沟道AlGaAs/GaAs异质结沟道N-AlGaAs提供电子未掺杂I-GaAs中积累电子异质结界面形成势阱电子在平行界面方向可自由移动被称为二维电子气（2DEG）构成异质结两种材料的禁带宽度差别越大→内建电场就越强→产生的势阱也越深→2DEG浓度越高3.3调制掺杂场效应晶体管3.3.1器件结构与原理2DEG沟道为什么能兼顾低电压与高速123高载流子密度高迁移率界面质量好电子由N-AlGaAs侧注入高跨导强栅控低工作电压沟道形成于未掺杂I-GaAs载流子不易受电离杂质散射影响高工作速度异质结界面匹配性好界面缺陷密度低抑制载流子迁移率衰减这类器件称为MODFET，也称HEMT或HFET3.3调制掺杂场效应晶体管3.3.1器件结构与原理引入隔离层：进一步减小杂质散射在N-AlGaAs与I-GaAs之间加入未掺杂I-AlGaAs隔离层隔离层把电离施主杂质与2DEG沟道空间分离作用：降低N-AlGaAs侧电离杂质对沟道载流子迁移率的影响3.3调制掺杂场效应晶体管3.3.2器件直流特性MODFET的工作模式：耗尽型与增强型耗尽性（D-mode）增强型（E-mode）零偏时2DEG沟道已经存在反向栅电压扩展耗尽区实现器件关断Vth

为负值栅极与N-AlGaAs构成的肖特基结+N-AlGaAs和I-GaAs构成的异质结N-AlGaAs层可视作由两个结的耗尽区组成

工作模式零偏时2DEG沟道被完全耗尽正向栅电压减少耗尽区宽度开启器件Vth

为正值3.3调制掺杂场效应晶体管3.3.2器件直流特性耗尽型MODFET为例：栅压改变2DEG面密度①VGS=0已形成一定面密度2DEG，器件导通。②VGS>0肖特基耗尽区变窄，注入电子增加，ID

增加。③Vth<VGS<0耗尽区变宽，2DEG面密度降低，ID减小。④VGS<Vth2DEG消失，器件逐渐关断。3.3调制掺杂场效应晶体管3.3.2器件直流特性电荷控制模型：由栅压控制2DEG浓度

提高Vth改变栅极金属材料减小N-AlGaAs层厚度降低掺杂浓度线性区

饱和区饱和区跨导

3.3调制掺杂场效应晶体管3.3.3器件主要优势MODFET的主要优势低工作电压高工作速度良好低温性能材料兼容性好高面载流子密度，显著提高跨导与栅控能力沟道未掺杂，电离杂质散射弱，迁移率高载流子被势垒限制于沟道，低温下仍可保持高载流子浓度。薄沟道可使用高迁移率但机械性能较弱的III-V材料3.4结型场效应晶体管非理想效应3.4.1沟道长度调制效应3.4.2速度饱和效应3.4结型场效应晶体管非理想效应理想情况三个假设沟道宽度缓变近似载流子迁移率恒定长沟道沟道长度变短漏极电压会显著影响电场分布与载流子分布

电学特性偏离非理想效应沟道长度调制效应速度饱和效应3.4结型场效应晶体管非理想效应3.4.1沟道长度调制效应夹断点发生移动当器件进入饱和区后，随着漏源电压VDS

增加，夹断点从漏端向源端移动。空间电荷层向沟道内扩展，有效沟道长度随之缩短。VDS↑→ΔL↑→Leff↓3.4结型场效应晶体管非理想效应3.4.1沟道长度调制效应从长度变化到电流修正

3.4结型场效应晶体管非理想效应3.4.1沟道长度调制效应饱和区不再“水平”输出特性的变化VDS

增加，输出电流继续增加饱和区曲线斜率不再为零输出电阻从理想的无穷大变为有限