1、现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 1 1Physics of Modern Semiconductor Devices2004,7,30.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 2 2本章内容本章内容q金属金属-半导体接触半导体接触 q金半场效应晶体管金半场效应晶体管 q调制掺杂场效应晶体管调制掺杂场效应晶体管.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 3 3MESFET与与MOSFET相似之处
2、：相似之处： 具有相似的电流-电压特性。不同之处：不同之处：栅电极部分，MESFET利用金属-半导体的整流接触取代了MOSFET的MOS结构；源极与漏极部分，MESFET以欧姆接触取代MOSFET中的p-n结。 LLg sLg dL源 极漏 极Za型n衬 底半 导 体 绝 缘栅 极LLg sLg dL源 极漏 极Za型n衬 底半 导 体 绝 缘栅 极的 透 视 图M E S F E T)( a漏 极源 极栅 极aWLDV0GV漏 极源 极栅 极aWLDV0GV栅 极 区 域 的 截 面 图M E S F E T)(b图6 . 1 0MESFETMESFET2SiOL+n+njrZdp衬底z)(
3、yEy)(xEx源极栅极漏极2SiOL+n+njrZdp衬底衬底z)(yEy)(xExz)(yEy)(xEx源极栅极漏极.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 4 4金-半接触可分为两种形式：整流性与非整流的欧姆性。功函数定义为费米能级和真空能级之差。电子亲和力q，它是半导体导带端与真空能级的能量差。 基本特性基本特性真空能级mqqsqCEFEVE)(mq金属半导体真空能级mqqsqCEFEVE)(mq金属半导体型半导体的能带图金属靠近一独立热平衡情形下，一独立n)( amqCEFEVEFEq)(mBnqq)(smbiqqVs
4、qmqCEFEVEFEq)(mBnqq)(smbiqqVsq接触的能带图热平衡时金属半导体)( b图6. 2金属金属- -半导体接触半导体接触独立金属能带图独立金属能带图独立独立n型半导体能带图型半导体能带图金属的功函数半导体的功函数金属绝缘体半导体欧姆接触金属绝缘体半导体欧姆接触接触的透视图平面工艺所制作的金半)(a金属半导体V金属半导体V金半接触的一维结构)(b图6. 1.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 5 5金-半接触并处于热平衡热平衡时，两者费米能级相同，真空能级必须连续理想状况下，金属与n型半导体的势垒高度 能
5、带情况能带情况真空能级mqqsqCEFEVE)(mq金属半导体真空能级mqqsqCEFEVE)(mq金属半导体型半导体的能带图金属靠近一独立热平衡情形下，一独立n)( amqCEFEVEFEq)(mBnqq)(smb iqq VsqmqCEFEVEFEq)(mBnqq)(smb iqq Vsq接触的能带图热平衡时金属半导体)( b图6 . 2qxqqmBn金属与p型半导体势垒高度)(qxqEqmgBp金属金属- -半导体接触半导体接触金属绝缘体半导体欧姆接触金属绝缘体半导体欧姆接触接触的透视图平面工艺所制作的金半)( a金属半导体V金属半导体V金半接触的一维结构)( b图6 . 1在n型和p型
6、衬底上的势垒高度和，恰等于半导体的禁带宽度gBpBEq+)(n则.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 6 6Vbi为电子由半导体导带上欲进入金属时遇到的内建电势真空能级mqqsqCEFEVE)(mq金属半导体真空能级mqqsqCEFEVE)(mq金属半导体型半导体的能带图金属靠近一独立热平衡情形下，一独立n)( amqCEFEVEFEq)(mBnqq)(smb iqq VsqmqCEFEVEFEq)(mBnqq)(smb iqq Vsq接触的能带图热平衡时金属半导体)( b图6 . 2nBbiVVn金属金属- -半导体接触半
7、导体接触qVn.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 7 7势垒降低了VFB nqb iq VCEFEVEB nqb iq VCEFEVE)(Fb iVVq Fq V)(Fb iVVq Fq V)(Rb iVVq +Rq V)(Rb iVVq +Rq Vb iq VB nqCEFEVEb iq VB nqCEFEVEFq V)(Fb iVVq Fq V)(Fb iVVq Rq V)(Rb iVVq +Rq V)(Rb iVVq +型 半 导 体n型 半 导 体p热 平 衡) (a正 向 偏 压) (b反 向 偏 压) (c图
8、6 . 4 不 同 偏 压 情 况 下 ， 金 属 与 n型 及 p型 半 导 体 接 触 的 能 带 图金属金属- -半导体接触半导体接触偏压为零偏压为零正向偏压正向偏压反向偏压反向偏压势垒提高了VRB nqb iq VCEFEVEB nqb iq VCEFEVE)(Fb iVVq Fq V)(Fb iVVq Fq V)(Rb iVVq +Rq V)(Rb iVVq +Rq Vb iq VB nqCEFEVEb iq VB nqCEFEVEFq V)(Fb iVVq Fq V)(Fb iVVq Rq V)(Rb iVVq +Rq V)(Rb iVVq +型 半 导 体n型 半 导 体p热 平
9、 衡) (a正 向 偏 压) (b反 向 偏 压) (c图 6 . 4 不 同 偏 压 情 况 下 ， 金 属 与 n型 及 p型 半 导 体 接 触 的 能 带 图（+）（-）（+）（-）（+）（-）（+）（-）.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 8 8假设金属为完美导体，由半导体迁移过来的电荷将存在于其表面极狭窄的区域内。电荷分布与单边突变的p+-n结的情况相同。在xw处，s= 00 xWDqNs0 xWDqNs)(aEWxmEEWxmE)(b图6. 5 金属半导体接触中的(a)电荷分布、(b)电场分布电场大小随着距离
10、增加而线性变小 xqNEWNxEsDmDs)x(qsWqNEDm金属金属- -半导体接触半导体接触金金-半接触的电荷与电场分布半接触的电荷与电场分布最大电场Em发生在界面处.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 9 9降落在空间电荷区的电压为图中电场曲线下的面积0 xWDqNs0 xWDqNs)(aEWxmEEWxmE)(b图6. 5 金属半导体接触中的(a)电荷分布、(b)电场分布耗尽区宽度W可表示为 s222WqNWEVVDmbiDqNVVW)(2bis半导体内的空间电荷密度QSC)/()(q22biscmCVVNWqNQ
11、DDSC其中对正向偏压，V为+VF；对反向偏压，V为-VR。 金属金属- -半导体接触半导体接触.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 1010 每单位面积的耗尽区电容C则可由上式计算得到： 即 将l/C2对V作微分，重新整理可得杂质的分布WVVNVQCSDSSC)(2qbiDNqVVCsbi2)(21VCqNSDd/ )/1 (d122对于均匀掺杂情况，即ND为定值，则1/C2对V作图可得一直线，且1/C2=0的截距即为内建电势Vbi一旦Vbi已知，则势垒高度由下式求得nBbiVVn金属金属- -半导体接触半导体接触.现代半
12、导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 1111例1：求出如图所示钨-硅二极管的施主浓度与势垒高度。 解： 由图得因为截距为0.42V，因此势垒高度为 VFVVFFVC2215221522152)/cm(104 . 401)/cm(108 . 1)/cm(102 . 6d)/1 (d151419104 . 41)1085. 89 .11(106 . 12DN315107 . 2cmVNNqkTqEEVDCFCn24. 0107 . 21086. 2ln0259. 0ln1519VVVBn66. 024. 042. 0+金属金属- -半
13、导体接触半导体接触.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 1212指一具有大的势垒高度(即Bn或BpkT)，以及掺杂浓度比导带或价带的态密度低的金属-半导体接触。 电流的传导机制 与p-n结不同，主要传导机制是半导体中多数载流子的热电子发射越过电势势垒而进入金属中。 肖特基势垒肖特基势垒 金属金属- -半导体接触半导体接触.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 1313热平衡时电流密度由两个大小相等、但方向相反的载流子流组成，因此净电流为零。半导体中的电子倾向
14、于流入金属中，并有一反向的平衡电子流由金属进入半导体中，其大小与边界的电子浓度成正比。 金属金属- -半导体接触半导体接触kTqNnBncthexpthmssmnJJkTexp1BncmssmqNCJJ.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 1414正向偏压时 跨越势垒的静电势差降低，因此表面的电子浓度增加 kTVqNnFBncthexp由电子流出半导体所产生的电流Jsm也因此以同样的因数增大 金属金属- -半导体接触半导体接触因势垒Bn维持与平衡时相同，由金属流向半导体的电子流量维持不变正向偏压下的净电流为 ：1expexp
15、expexp111kTqVkTqNCkTqNCkTVqNCJJJFBncBncFBncsmms反向偏压的净电流的表示式与上式相同，只是其中的VF被替换成-VR .现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 1515系数C1NC = A*T2A*的值视有效质量而定，对n型与p型硅而言，其值分别为110和32，而对n型与p型砷化镓而言，其值分别为8和74。 1expexpexpexp111kTqVkTqNCkTqNCkTVqNCJJJFBncBncFBncsmms金属金属- -半导体接触半导体接触 1expskTqVJ J1expskT
16、qVJJ kTqTAJBn2sexp其中Js为饱和电流密度，而外加电压V在正向偏压的情况下为正，反向偏压时则为负。 V/FV01 . 02 . 03 . 0110210310410510610710010Si-WGaAs-WsJ01 . 02 . 03 . 011021031041051061071001001 . 02 . 03 . 0110210310410510610710010Si-WGaAs-WsJ图6. 8 钨-硅与钨-砷化镓二极管的正向电流密度与外加电压关系图)cm/(A2FJ由肖持基二极管实验所得的I-V特性。将正向I-V曲线延伸至V=0，可以获得Js，由上式即可求得势垒高度。
17、 .现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 1616金属与n型半导体接触也存有少数载流子(空穴)电流，它是由金属中的空穴注入半导体所产生。空穴的注入与p+-n结的情况相同。其电流密度为 在正常工作情况下，少数载流子电流大小比多数载流子电流少了几个数量级。因此，肖特基二极管被视为单极性器件，亦即主要由一种载流子来主导导通的过程。 1exppopkTqVJJDNLnqDJp2ippo金属金属- -半导体接触半导体接触肖特基二极管被视为单极性器件的原因.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFE
18、T及相关器件及相关器件 1717例2：对ND=1016cm-3的钨-硅肖特基二极管而言，请由下图求出势垒高度与耗尽区宽度。假设硅中少数载流子的寿命为10-6s，比较饱和电流Js与 Jpo。 解： 由图可得Js=6.510-5A/cm2，因此势垒高度可由 kTqTAJBn2sexpVVBn67. 0105 . 6300110ln0259. 052得到：内建电势为Bn-Vn，其中 VNNVDCn17. 01011086. 2ln0259. 0ln0259. 01619VVVVbi50. 017. 067. 0因此V/FV01 . 02 . 03 . 011021031041051061071001
19、0Si-WGaAs-WsJ01 . 02 . 03 . 011021031041051061071001001 . 02 . 03 . 0110210310410510610710010Si-WGaAs-WsJ图6. 8 钨-硅与钨-砷化镓二极管的正向电流密度与外加电压关系图)cm/(A2FJ金属金属- -半导体接触半导体接触.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 1818当V=0时，热平衡时的耗尽区宽度为 为了计算少数载流子电流密度Jpo，须知道Dp，对浓度ND=1016cm-3而言，其值为10cm2/s，而两电流密度间的比
20、为 比较可见，多数载流子电流是少数载流子电流的7次方倍。 因此cmNVWD5bis106 . 2q2cm101 . 3cm101036PPpDL212216329192ipocm/108 . 4cm/10)101 . 3()1065. 9(10106 . 1nAANLqDJDPP7125103 . 1108 . 4105 . 6PSJJ金属金属- -半导体接触半导体接触.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 1919当金属-半导体接触的接触电阻相对于半导体主体或串联电阻可以忽略不计时，则可被定义为欧姆接触。 欧姆接触的一个指标
21、为比接触电阻Rc，其定义为 低掺杂浓度的金属-半导体接触，热电子发射电流在电流的传导中占有主要的地位。为了获得较小的RC，应该使用具有较低势垒高度的金属-半导体接触。 欧姆接触欧姆接触 (ohmic contact)：10VCVJR）（kTqTqAkRBnCexp金属金属- -半导体接触半导体接触.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 2020 高掺杂浓度的金属-半导体接触，势垒宽度变得很窄，且此时隧穿电流成为主要的传导电流。高掺杂浓度下的比接触电阻可表示为 其中 DBDBCNmNCRnsnn24expexp/4sn2mC 可
22、见，在隧穿范围内比接触电阻与杂质浓度成反比， 并且以 为因子成指数变化。 DBnN/金属金属- -半导体接触半导体接触.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 2121 MESFET共具有三个金属-半导体接触，一个肖持基接触作为栅极以及两个当作源极与漏极的欧姆接触。 器件结构器件结构 ：LLg sLg dL源 极漏 极Za型n衬 底半 导 体 绝 缘栅 极LLg sLg dL源 极漏 极Za型n衬 底半 导 体 绝 缘栅 极的 透 视 图M E S F E T)( a漏 极源 极栅 极aWLDV0GV漏 极源 极栅 极aWLDV
23、0GV栅 极 区 域 的 截 面 图M E S F E T)(b图6 . 1 0主要的器件参数主要的器件参数栅极长度L、栅极宽度Z以及外延层厚度a。材料的选取材料的选取大部分的MESFET是用n型-V族化合物半导体制成的(如砷化镓)，因为它们具有较高的电子迁移率，可以减小串联电阻并且具有较高的饱和速度而使得截止频率增高。 金半场效应晶体管金半场效应晶体管(MESFET) (MESFET) 实际制造中，通常在半绝缘衬底上生长一外延层以减少寄生电容。.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 2222 源极接地、 栅极电压为零或是被加
24、以反向偏压， VG 0 漏极电压为零或是被加以正向偏压， VD 0对于沟道为n型材料的器件称为n沟道MESFET。在大多数的应用中是采用n沟道MESFET而非p沟道MESFET，这是因为n沟道器件具有较高的电子迁移率。 沟道电阻可被表示为 工作原理工作原理LLgsLgdL源极漏极Za型n衬底半导体绝缘栅极LLgsLgdL源极漏极Za型n衬底半导体绝缘栅极的透视图MESFET)( a漏极源极栅极aWLDV0GV漏极源极栅极aWLDV0GV栅极区域的截面图MESFET)( b图6. 10其中ND是施主浓度，A是电流流动的截面积，而W是肖特基势垒的耗尽区宽度。 )(WaZNqLALRDn金半场效应晶
25、体管金半场效应晶体管(MESFET) (MESFET) .现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 2323（1）当VG=0且VD很小时，沟道中有很小的漏极电流流通。此电流大小为VD/R。其中R为沟道电阻。因此，电流随漏极电压呈线性变化。沟道电压V 由 0（源极端） VD（漏极端），沿着源极到漏极肖特基势垒的反向偏压逐渐增强，耗尽区宽度W逐渐加大。金半场效应晶体管金半场效应晶体管(MESFET) (MESFET) DqNVVW)(2bis.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器
26、件及相关器件 2424（2）随着漏极电压的持续增加，使漏极端的耗尽区宽度W=a出现夹断点，此时的漏极电压称为饱和电压VDsat，对应出现很大的漏极电流称为饱和电流IDsat 。0,22GbisDDsatVVaqNV金半场效应晶体管金半场效应晶体管(MESFET) (MESFET) s222WqNWEVVDmbi令V=-VDsat，可以求出相对应的漏极电压值，称为饱和电压VDsat： .现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 2525（3）VD进一步增加，则靠近漏极端的耗尽区逐渐扩大，P点将往源极端移动。P点处的电压维持为VDsa
27、t，由源极到P点的电压降维持不变。因此，每单位时间由源极移往P点的电子数目以及沟道内的电流也维持不变，电流基本上维持在IDsat，且与VD无关。 金半场效应晶体管金半场效应晶体管(MESFET) (MESFET) .现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 2626（4）当 VG0 时，耗尽区宽度W随之增加。沟道的截面积减小，VG=-1V的初始电流比VG=0时的初始电流来得小。饱和电压 VDsat由上式可以看出，夹断时所需的漏极电压减小了VG的值。 GbisDDsatVVaqNV22金半场效应晶体管金半场效应晶体管(MESFET)
28、 (MESFET) DqNVVW)(2bis对于n沟道MESFET 式中取VG的绝对值.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 2727 电流电流-电压特性电压特性GVDVDI1W2W型n源极a漏极宽度y)(yWGVDVDI1W2W型n源极a漏极宽度y)(yW源极漏极ydyy +dy)(yVDVyL0源极漏极ydyy +dy)(yVDVyL0沟道区的放大图)(a化沿着沟道的漏极电压变)(b图 6. 12金半场效应晶体管金半场效应晶体管(MESFET) (MESFET) )(32)(2)(1313221222221WWWWaLNq
29、ZWdWqNWaZNqLIsDnsDWWDnD+2/32/33232PbiGPbiGDPDPVVVVVVVVVIILaNqZIsDnP2322sDPaqNV22电压VP称为夹断电压，也就是当W2=a时的总电压之和(VD+VG+Vbi)。 .现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 2828图显示了一夹断电压为3.2V的MESFET的I-V特性。所示的曲线是当0VDVDsat时由上式I的公式计算得到。 024681012142 . 04 . 06 . 08 . 00 . 1夹断饱和区击穿区线性区0GVV5 . 00 . 15 . 1
30、0 . 25 . 2024681012142 . 04 . 06 . 08 . 00 . 1夹断饱和区击穿区线性区0GVV5 . 00 . 15 . 10 . 25 . 2V/GV图 6. 13的 MESFET 规一化的理想电流电压特性V2 . 3VP图 6. 13的 MESFET 规一化的理想电流电压特性V2 . 3VP/DsatDII)0(GV金半场效应晶体管金半场效应晶体管(MESFET) (MESFET) 电流-电压特性有三个不同区域：当VD比较小时，处于线性区，沟道的截面积基本上与VD无关，此I-V特性为欧姆性质或是线性关系。当VDVDsat时，电流于IDsat达到饱和，处于饱和区。
31、当漏极电压进一步增加，栅极-沟道间二极管的雪崩击穿开始发生，这使得漏极电流突然增加， 处于击穿区。 .现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 2929跨导是MESFET的一项重要参数，表示在某个特定漏极电压下，相对于栅极电压的变化所造成漏极电流的变化。线性区中的跨导 DbiGPPPVGDmVVVVVIVIgD+22金半场效应晶体管金半场效应晶体管(MESFET) (MESFET) 饱和区中的跨导+PbiGDnPbiGPPmVVVLaqNZVVVVIg11在击穿区中，击穿电压发生在沟道中具有最高反向电压的漏极端，击穿电压 GDBV
32、VV+.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 3030导带与费米能级间的差为 例4：当T=300K时，一个以金作接触的n沟道砷化镓MESFET。假设势垒高度为0.89V。若n沟道浓度为21015cm-3，且沟道厚度为0.6m。计算夹断电压以及内建电势。已知砷化镓的介电常数为12.4。 解： 夹断电压为 内建电势为 VVaqNVsDP53. 0)106 . 0(1085. 84 .122102106 . 12241415192VVNNqkTVDCn14. 0102107 . 4ln026. 0ln1517VVVVVnBnbi75
33、. 014. 089. 0金半场效应晶体管金半场效应晶体管(MESFET) (MESFET) .现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 3131 耗尽型器件，也就是器件在VG=0时具有一可导电的沟道。 增强型器件，此种器件在VG=0时没有导通的沟道，即栅极接触的内建电势足以耗尽沟道区。在沟道电流开始流通前，栅极必须加上正偏压。这个所需的电压称为阈值电压阈值电压VT，可表示为 金半场效应晶体管金半场效应晶体管(MESFET) (MESFET) 其中VP为夹断电压。接近阈值电压时，饱和区的漏极电流可将上式的Vbi代入TbiPVVV中
34、，并在(VG-VT)/VP1的前提下，利用泰勒级数展开得到 (VG带负号以表示其极性)+2/33231pbiGpbiGPDsatVVVVVVII+2/3132131PTGPTGPDsatVVVVVVII2)(2TGsnVVaLZbiTPVVV+或.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 3232 耗尽型和增强型器件的基本电流-电压特性是相似的。下图比较了这两种工作模式。主要的差别在于阈值电压沿着VG轴的偏移。增强型器件的跨导为 增强型器件在VG=0时并没有电流导通，当VGVT时电流的改变则如前式所示。由于栅极的内建电势约小于1V
35、，因此栅极的正向偏压约被限制在0.5V以避免过大的栅极电流。 nDV半绝缘衬底SVGVnDV半绝缘衬底SVGVGVnDV半绝缘衬底GVSVnDV半绝缘衬底GVGVSVSV0DIDVV0 . 0GVV1 . 0GVV2 . 0GVV3 . 0GVV4 . 0GV0DIDVV0 . 0GVV1 . 0GVV2 . 0GVV3 . 0GVV4 . 0GV0DIDVV4 . 0GVV3 . 0GVV2 . 0GVV1 . 0GV0DIDVV4 . 0GVV3 . 0GVV2 . 0GVV1 . 0GV0TVGVDI0TVGVDIDI0GVDI0GVMESFET)(耗尽型aMESFET)(增强型b图 6
36、. 14 IV特性的比较)(TGsnGDsatmVVaLZdVdIg金半场效应晶体管金半场效应晶体管(MESFET) (MESFET) .现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 3333 对MESFET的高频应用而言，有一重要指标为截止频率fT，也就是MESFET无法再将输入信号放大时的频率，且 上述推导基本上是假设沟道中载流子的迁移率为一定值，与外加电场无关。然而，对相当高频的工作状态而言，由源极指向漏极的电场，是大到足以使载流子以其饱和速度进行传导的。在这样的情形下的截止频率为 改善高频性能的方法：使用具有较高载流子迁移率，
37、较短沟道长度的MESFET。电流电流-电压特性电压特性222)/(2/2LaqNWZLVICgfsDnsPPGmTLvWZLWZvCgfssssGmT2/2/2金半场效应晶体管金半场效应晶体管(MESFET) (MESFET) .现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 3434 因此，要增加fT，必须缩小栅极长度以及使用高速度的半导体。下图所示为五种半导体的电子漂移速度对应电场强度的关系图。 注意到，GaAs的平均速度为1.2107cm/s，而峰值速度为2107cm/s，这分别比Si的饱和速度高出了20-100。此外，Ga0.4
38、7In0.53As与InP甚至比GaAs有更高的平均速度与峰值速度。因此，这些半导体的截止频率将比GaAs 来得更高。 金半场效应晶体管金半场效应晶体管(MESFET) (MESFET) 210310410510610610610510710710810810GaAsAsInGa0.530.47InPGeK300T)cmV/(1电场)scm/(1电子漂移速度Si.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 3535 调制掺杂场效应晶体管为异质结构的场效应器件，又称为高电子迁移率晶体管、二维电子气场效应晶体管以及选择性掺杂异质结构晶体
39、管。通常通称为异质结场效应晶体管。右图为传统MODFET的透视图，其特征是栅极下方的异质结结构以及调制掺杂层。 对于图中的器件来说，A1GaAs为一宽禁带半导体，而GaAs则为窄禁带半导体。这两种半导体是被调制掺杂的，也就是说，除了在极窄的区域d0中并无掺杂外，A1GaAs是被掺杂的，而GaAs则末被掺杂。A1GaAs中的电子将扩散到无掺杂的GaAs中，而在GaAs表面形成一导通的沟道。 调制掺杂场效应晶体管调制掺杂场效应晶体管 (MODFET) (MODFET) 源极漏极Z半绝缘衬底栅极GaAs未掺杂二维电子气间隔层未掺杂AlGaAsAlGaAs-n接触+n接触+n耗尽区1d0dxyz源极漏
40、极Z半绝缘衬底栅极GaAs未掺杂二维电子气间隔层未掺杂AlGaAsAlGaAs-n接触+n接触+n耗尽区1d0dxyz.现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 3636 下图同时显示了三种不同的MODFET和GaAs MESFET。传统的A1GaAs-GaAs MODFET的fT约比GaAs MESFET高30。而对伪晶的Si-SiGe MODFET而言，则是fT可与GaAs MODFET相比的最佳器件。 SiGe MODFET相当具有吸引力，因为它可以利用现有的硅晶片厂去制作。至于更高的截止频 率 ， 可 在 I n P 衬
41、底 上 制 作Ga0.47In0.53As MODFET。其优越的表现主要是由于在Ga0.47In0.53As中的高电子迁移率以及较高的平均速度和峰值速度。预期当栅极长度为50nm时，其fT可高达600GHz。5010050010005000100010010105. 01 . 00 . 10 . 510101110121013102sAlGaAs/GaAMODFETnAsAlInAs/GaIMODFETSiGeMODFETGaAsMESFETNMOSSiK300nm/GLL 或m/GLL 或5010050010005000100010010105. 01 . 00 . 10 . 510101
42、1101210131025010050010005000100010010105. 01 . 00 . 10 . 510101110121013102sAlGaAs/GaAMODFETnAsAlInAs/GaIMODFETSiGeMODFETGaAsMESFETNMOSSiK300nm/GLL 或m/GLL 或图6.18 五种不同的场效应晶体管截止频率与沟道或栅极长度关系图截止频率GHz/TfGHz/Tfs/s/调制掺杂场效应晶体管调制掺杂场效应晶体管 (MODFET) (MODFET) .现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学MESFETMESFET及相关器件及相关器件 3737Thanks forThanks forlisteninglistening.
