第四章MESFET介绍.ppt

* n-MESFET 的 I-V 特性 与MOSFET相比， MESFET最显著的优势是沟道载流子的高迁移率； MESFET结构的缺点则是肖特基栅的存在； 肖特基二极管的开启电压限制了MESFET的正向偏压。 对于GaAs肖特基二极管，这个开启电压的典型值是0.7V。 因此Vds电压必须低于这个开启电压。 从而导致要想制造包含大量增强型MESFET的电路非常的困难。 GaAs MESFETs 在微波电路中有着普遍广泛和重要的应用。 实际上，直到80年代，几乎所有的微波集成电路都是GaAs MESFETs。 仅管有更复杂性能更好的器件出现，但MESFET在微波领域的功放、开关方面仍然占据着主导地位。 microwave spectrum 微波是波长为1～1000毫米的波，按其波长不同分为若干波段： GaAs MESFET 基本材料是GaAs衬底。 缓冲层在GaAs衬底之上外延生成，用来隔绝衬底中的缺陷。 沟道或导电层是一层非常薄的轻掺杂的半导体N型层，外延生长在缓冲层之上。 对于微波晶体管，由于GaAs的电子迁移率几乎是空穴的20倍，因此导电沟道层几乎都是N型层。 基本结构 基本结构 高掺杂的N+层在表面生长，用来形成欧姆接触，在沟道区这一层是被刻蚀掉的。 或者，可以通过离子注入的方法形成源漏的欧姆接触区。 源漏接触区之间，会制造一个整流接触也就是肖特基接触。 典型的欧姆接触是 Au–Ge，肖特基接触是Ti–Pt–Au。 基本工作原理 不考虑栅极，器件的结构和I-V特性如图所示： 当源和漏之间加一个小的电压时，两个电极之间会有电流流过； 当较小的电压增加时，电流呈线性增加。 基本工作原理 无栅MESFET简图及 I–V 特性 基本工作原理 如果电压进一步增加，所加的电场将会进一步增加，以至于超过电子达到饱和速度所需的电场。 在大偏压的条件下， ID 的另一个表达式成立了，它将沟道参数和电流直接联系起来： 基本工作原理 上述表达式忽略了寄生电阻 RS 和RD. 其中， Z 表示沟道宽度; b(x)是沟道有效深度; q, 电子电荷; n(x) 是电子浓度; v(x), 是电子的速度, 与穿过沟道的电场有关。 注意：当v(x) 饱和时， ID 也会饱和。 这个饱和电流就称为IDSS. 基本工作原理 现在，考虑栅电极的影响，将栅极放在沟道上方，不加任何栅偏压， VG = 0. 栅极下方会形成一个耗尽区，因此沟道的有效深度b(x)减小了，相应的栅下方电阻增加了。 耗尽区的深度依赖于穿过肖特基结的电压降。 当电流在沟道中流动时，可等效为电流流过一个分布式的电阻器，在沟道末端漏极的电压降大于源极。 导致了耗尽区的深度并不均匀，在沟道靠近漏极一侧深度更大。 基本工作原理 沟道深度的不均匀对器件的运行会产生两个影响。 第一，在耗尽区靠近源极一侧，会形成电子积累；而在耗尽区靠近漏极一侧，则形成电子耗尽。 这些电荷形成的偶极子会在漏极和沟道之间产生反馈电容，称为CDC. 第二，偶极子的电场会叠加在原来的电场之上，在较低的VD下，导致饱和条件的发生。 基本工作原理 在栅结上增加偏压，则耗尽区的深度、沟道电阻和饱和电流均可以控制了。 如果外加一个足够大的负偏压，耗尽区的宽度将等于沟道的深度，沟道将被夹断。 这个栅偏压就称为夹断电压，可表示为： 基本工作原理 在夹断条件下，漏电流有非常微小的下降。 因此，晶体管可以用作电压控制的开关。 VT=Vbi-Vp 其中VT表示阈值电压，只有VGS超过VT，器件才能有导电沟道，而进入导通状态。 基本工作原理 微波器件最常用的品质因数是增益带宽、最高振荡频率和截止频率。 截止频率定义为MESFET短路电流增益下降为1时的频率。 对于 GaAs，在典型沟道掺杂时， vsat 大约为 6 x1010 mm/s，对于大于 10 GHz的fT，栅长L必须小于 1 mm。受工艺和击穿电场的双重限制，L的极限值是0.1 mm。 基本工作原理 栅对沟道的有效控制要求栅长L必须大于沟道深度a，即L/a 1. 对于大多数GaAs MESFETs ，要求沟道深度在0.05 到 0.3 mm 之间。 小的沟道深度需要沟道内的载流子浓度尽可能的高以维持大电流。 MESFET 应用 对于MESFETs， GaAs 优于 Si 源于两个重要的优势: 一、室温下的迁移率是硅的5倍，饱和速度是硅的两倍。 二、 由于自由载流子会吸收微波功率，而GaAs半绝缘衬底有望消除吸收微波功率的问题。 MESFET 应用 高频器件，蜂窝式电话（cellular phones），人造卫星接收器，雷达，微波器件。 GaAs 是 MESFETs最主要的材料