现代半导体器件第2章.ppt

第二章 化合物半导体场效应晶体管 高珊 2008－2009年度 2.1引言2.1.1 FET的工作原理 化合物半导体在高速、高频以及高温、低温、高能辐射等恶劣环境中的应用。 集成水平 结构和偏置 2.1.2 FET的类型 导电沟道电容电荷调制原理 金属－氧化物－半导体场效应晶体管（MOSFET) 异质结场效应晶体管（HFET) MESFET（包括与HFET技术结合） 2.1.3 材料的基本特性 直接带隙半导体，具有优越的光电特性 低场电子迁移率高，寄生电阻小，器件速度快 饱和速度大，短沟器件速度和工作频率高。 导热性差，材料和工艺成本高 2.2肖特基势垒和欧姆接触 重要公式： 耗尽区空间电荷密度 耗尽区电场分布 耗尽区电势分布 耗尽层宽度 肖特基二极管的经验公式 反向二极管电流密度 势垒高度：界面处半导体导带边与金属能级之间的能量差。 肖特基势垒形成的物理机制 界面态效应 界面态密度很高的情况下，费米能级与中性能级一致。 电子穿越势垒的方式 基本方程 常用肖特基接触金属：Al,Pt-Al, W-Al,Ti-Pt-Au 在金属和GaAs之间采用窄带隙半导体层减小势垒高度。n型：AuGe-Ni,Ag-Sn,AgIn-Ge;p型：AuZn,Ag-In-Zn,Ag-Zn 场发射机制模型 2.3GaAs MESFET2.3.1 MESFET基础 结构 基本电导方程 GCA(缓变沟道近似）： 阈值电压：沟道电导为0时，相应的栅极偏压 夹断模型 GCA的适用范围 线性分段模型 场效应晶体管基本方程 近源端的GCA区和近漏端的速度饱和区 沟道饱和电流表达式 跨导参数 2.3.2 改进的MESFET I-V模型 普适模型：对沟道电荷统一描述 GaAs MESFET模型修正机制 源漏串联电阻对偏压依赖 体电荷效应 平均的低场迁移率对偏压依赖 温度依赖关系 栅极漏电流 沟道电子密度 阈值之上： 阈值以下： 阈值： 统一电荷控制模型： 饱和电流表达式 有效栅压摆幅 阈值之上 阈值以下： 阈值之上和阈值以下均有效的统一饱和电流： 线性区与饱和区电流的连续 外推公式： 体电荷影响： DIBL效应： MESFET漏极电流－电压特性 输出电导对频率依赖，背栅和侧栅偏置，扭曲效应，光敏效应 2.3.3 MESFET的C-V模型 本征电荷：栅极和栅极下面耗尽层中贮存的电荷。 本征电容：采用集总电容模型近似分布的RC传输线。 方法1：将本征电容等效为栅源电容CGS和栅漏电容CGD. 适用于阈值之上，不包括耗尽区扩展产生的电容作用。 方法2：修改MOSFET Meyer电容模型 饱和时 CGS=2Cg/3,CGD=0 建模方法 分析耗尽电荷的空间分布随电压的变化 获得一组电荷守恒且各端口之间非互易的电容。 Meyer电容集是非完备的 电荷守恒问题通过沟道电荷在源漏端的自动分配得以解决。 源电荷和漏电荷： 栅电荷 耗尽区在源漏扩展产生的附加电荷 饱和区和阈值之下的区域，电荷模型更复杂。 MESFET跨电容集 自电容 三端FET跨电容矩阵： 每行和每列的矩阵元之和为零 9个矩阵元中只有4个是独立的 2.3.4 SPICE 中的MESFET模型 2.4 异质结场效应晶体管HFET2.4.1 HFET基础 沟道高掺杂引起的电离杂质散射，限制电子迁移率。 调制掺杂晶体管：将杂质与电子分离 高电子迁移率器件的产生：低温长沟道电流和跨导的增强。 HFET器件工作原理： 二维电子气 阈值电压由宽带隙半导体的掺杂决定 HFET结构 量子阱HFET的优点： 2DEG的局域化效果好 电流输运能力强 输出电阻大 漏电流小 倒置HFET的优点： 增加有效栅电容，增加跨导 易于制备高质量的欧姆接触和肖特基接触 制备HFET的材料系统 HFET的电荷控制模型 阈值之上，源漏偏压较小 阈值之下： 阈值处： 统一电荷模型： 2.4.2 HFET I-V模型 非理想情况： HFET不连续性较弱 宽带隙半导体中的感应电荷 有效电子密度： 漏极饱和电流： 非本征饱和电压： 各个材料系统的跨导 HFET C-V模型 与MOSFET的结构相似 有效非本征源－漏电压 2.4.4 SPICE HFET模型 源电荷和漏电荷： 栅电荷： 采用MOSFET模型来模拟HFET器件和电路 误差及产生原因 2.5 栅极漏电流 非容性耦合——肖特基势垒的漏电流 反向饱和电流： 2.6 新型化合物半导体FET2.6.1 异维器件 常见的半导体界面 异维器件：利用不同维数的半导体区域之间的界面形成器件。 特点：电容比较小，载流子迁移率高，电场比较小。 异