第四章MESFET

1、第四章 金属半导体场效应晶体管中国计量学院光电学院中国计量学院光电学院半导体器件中国计量学院光电学院金属半导体接触及能级图 1. 金属和半导体的功函数金属中的电子绝大多数所处的能级都低于体外能级。金属功函数的定义: 真空中静止电子的能量 E0 与 金属的 EF 能量之差，即0()mFmWEE半导体器件中国计量学院光电学院 上式表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小值。金属中的电子势阱0EmWEFWm 越大, 金属对电子的束缚越强半导体器件中国计量学院光电学院在半导体中，导带底 EC 和价带顶 EV一般都比 E0 低几个电子伏特。半导体功函数的定义: 真空中静止电

2、子的能量 E0 与 半导体的 EF 能量之差，即sFsEEW)(0Ws 与杂质浓度有关E0ECEFEVqWs电子的亲合能0CqEE半导体器件中国计量学院光电学院2.接触电势差EvqWssFE )(mW0ECEnEmFE )(smWW 半导体器件中国计量学院光电学院Dq（b）间隙很大 (D原子间距)(msVVqCEnEVEFEmWsW金属表面负电半导体表面正电Vm: 金属的电势Vs: 半导体的电势半导体器件中国计量学院光电学院smmsWWVVq)(平衡时, 无电子的净流动。相对于(EF)m, 半导体的(EF)s下降了qWWVVVmssmms接触电势差:金属和半导体接触而产生的电势差 Vms.半导

3、体器件中国计量学院光电学院q（c）紧密接触FE)(msVVqnSqmWCEnEVE半导体表面有空间 电荷区空间电荷区内有电场电场造成能带弯曲E+_因表面势 Vs 0能带向上弯曲qVD半导体器件中国计量学院光电学院接触电势差一部分降落在空间电荷区, 另一部分降落在金属和半导体表面之间smsmsVVqWW若D原子间距, 电子可自由穿过间隙, Vms0, 则接触电势差大部分降落在空间电荷区smsVqWW/ )(半导体器件中国计量学院光电学院半导体一边的势垒高度0,ssmsDVWWqVqV金属一边的势垒高度mnsmnsnDnsWEWWEqVEqVq半导体器件中国计量学院光电学院半导体表面形成一个正的空

4、间电荷区电场方向由体内指向表面 (VsWs在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度要比体内小得多，因此它是一个高阻的区域，常称为阻挡层。半导体器件中国计量学院光电学院Wm0)半导体表面电子的能量低于体内的，能 带向下弯曲在空间电荷区中，电子浓度要比体内大得多，因此它是一个高电导的区域，称为反阻挡层。半导体器件中国计量学院光电学院EcEvEFWs-Wm-Wm金属和 n 型半导体接触能带图 (WmWs)反阻挡层薄, 高电导, 对接触电阻影响小半导体器件中国计量学院光电学院能带向下弯曲, 造成空穴的势垒, 形成 p 型阻挡层smWW smWW 当金属与 p 型半导体接触能带向上弯曲, 形成

5、p 型反阻挡层半导体器件中国计量学院光电学院金属和p型半导体接触能带图(a)(b)(a) p型阻挡层(WmWs)WmEcEvPSqFEmsDWWqVEcEvPSqsmDWWqVFE半导体器件中国计量学院光电学院形成n型和p型阻挡层的条件WmWsWm 0qnsqVq(Vs)0+V因 Vs0， V, 势垒下降越多， 正向电流越大半导体器件中国计量学院光电学院(c) V 0- qVqnsq(Vs)0+V 金属中的电子要越过很高的势垒 qns，所以反向电流很小。 同时qns不随V变，所以从金到半的电子流恒定。半导体器件中国计量学院光电学院阻挡层具有整流作用对p型阻挡层0)(0sVV0, 金属正偏，形成

6、反向电流半导体器件中国计量学院光电学院4.肖特基势垒二极管 肖特基势垒二极管的正向电流，主要是由半导体中的多数载流子进入金属形成的，此二极管将有较低的正向导通电压，一般为0.3 V左右，且有更好的高频特性。 利用金属半导体整流接触特性制成的二极管。半导体器件中国计量学院光电学院PN结二极管半导体器件中国计量学院光电学院肖特基二极管半导体器件中国计量学院光电学院肖特基二极管与PN结二极管的差异n最重要的差异是肖特基二极管仅仅只有单一类型的载流子（即多子）。n少数载流子的缺失意味着存储电荷的效应不再存在。n因此，肖特基二极管很适于快速开关应用。MESFETMetal Semiconductor F

7、ield Effect Transistors半导体器件中国计量学院光电学院nMESFET = Metal Semiconductor Field Effect Transistor = .nMESFET由源和漏接触区以及之间的导电沟道组成。n载流子从源极到漏极的流动由肖特基金属栅控制。 n通过控制金属栅下方的耗尽层宽度的变化，可以控制导电沟道，从而控制电流。半导体器件中国计量学院光电学院MESFET半导体器件中国计量学院光电学院n-MESFET 的 I-V 特性半导体器件中国计量学院光电学院n与MOSFET相比， MESFET最显著的优势是沟道载流子的高迁移率；nMESFET结构的缺点则是肖

8、特基栅的存在；n肖特基二极管的开启电压限制了MESFET的正向偏压。半导体器件中国计量学院光电学院n对于GaAs肖特基二极管，这个开启电压的典型值是0.7V。n因此Vds电压必须低于这个开启电压。n从而导致要想制造包含大量增强型MESFET的电路非常的困难。半导体器件中国计量学院光电学院nGaAs MESFETs 在微波电路中有着普遍广泛和重要的应用。n实际上，直到80年代，几乎所有的微波集成电路都是GaAs MESFETs。n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。半导体器件中国计量学院光电学院microwave spectrumn微波是波

9、长为11000毫米的波，按其波长不同分为若干波段： 半导体器件中国计量学院光电学院GaAs MESFET半导体器件中国计量学院光电学院n基本材料是GaAs衬底。n缓冲层在GaAs衬底之上外延生成，用来隔绝衬底中的缺陷。n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。 n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。基本结构半导体器件中国计量学院光电学院基本结构n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。n或者，可以通过离子注入的方法形成源漏的欧姆接触区。n源漏接触区之间，会制造一个整流接触也就是肖

10、特基接触。n典型的欧姆接触是 AuGe，肖特基接触是TiPtAu。半导体器件中国计量学院光电学院基本工作原理n不考虑栅极，器件的结构和I-V特性如图所示：n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；n当较小的电压增加时，电流呈线性增加。半导体器件中国计量学院光电学院基本工作原理无栅无栅MESFET简图及简图及 IV 特性特性半导体器件中国计量学院光电学院基本工作原理n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。n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：半导体器件中国计量学院光电学院基本工作原理n上述表

11、达式忽略了寄生电阻 RS 和RD. n其中， , 与穿过沟道的电场有关。n注意：当v(x) 饱和时， ID 也会饱和。n这个饱和电流就称为IDSS.半导体器件中国计量学院光电学院基本工作原理n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. n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。n耗尽区的深度依赖于穿过肖特基结的电压降。n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。n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。半导体器件中国计量学院光电学院基本工作原理n沟道深度

12、的不均匀对器件的运行会产生两个影响。n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。n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. n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。半导体器件中国计量学院光电学院基本工作原理n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。n如果外加一个足够大的负偏压，n这个栅偏压就称为夹断电压，可表示为：202aqNVrdp半导体器件中国计量学院光电学院基本工作原理n在夹断条件下，漏电流有非常微小的下降。n因此，晶体管可以用作电压控制的。 VT=Vbi-

13、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。半导体器件中国计量学院光电学院基本工作原理n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。n截止频率定义为MESFET短路电流增益下降为1时的频率。n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。LfsatT221半导体器件中国计量学院光电学院基本工作原理n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. n对于大多数GaAs MESFETs

14、 ，要求沟道深度在0.05 到 0.3 mm 之间。 n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。半导体器件中国计量学院光电学院MESFET 应用 对于MESFETs， 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。半导体器件中国计量学院光电学院MESFET 应用n高频器件，蜂窝式电话（cellular phones），人造卫星接收器，雷达，微波器件。nGaAs 是 MESFETs最主要的材料。nGaAs 有高的电子迁移率。n一般而言， 当f 2 GHz: GaAs

15、晶体管。 当 f 2 GHz: Si 晶体管。HEMTHigh Electron Mobility Transistor半导体器件中国计量学院光电学院HEMT结构半导体器件中国计量学院光电学院nHEMT是一种异质结MESFETnAlGaAs/GaAs 异质结HEMT的结构；n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）nAlGaAs层通常称为控制层，它和金属栅极形成肖特基势垒结，和GaAs层形成异质结半导体器件中国计量学院光电学院工作原理n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，

16、势阱中的电子即为高迁移率的二维电子气（2-DEG）。n这种2-DEG不仅迁移率很高，而且在极低温度下也不“冻结冻结”，则HEMT有很好的低温性能, 可用于低温研究工作中。n异质结界面附近的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。 半导体器件中国计量学院光电学院能带图 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半导体器件中国计量学院光电学院n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；n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。 半导体器件中国计量学院光电学院n