现代电子材料与元器件5

1、第五章化合物半导体器件光电工程学院微电子教研中心冯世娟25.1 pn结*5.2 双极型晶体管*q异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管5.3 场效应晶体管*qGaAs MESFETq高电子迁移率晶体管高电子迁移率晶体管5.4 半导体光源半导体光源q激光器激光器q发光二极管发光二极管5.5 半导体光电探测器半导体光电探测器35.1 pn结npn结？q空间电荷区q（耗尽区、渡越区）45.1 pn结n耗尽层近似n准中性近似n内建电场和内建电势2lnadoiN NkTVqndnoqN WE 注意：1.内建电势与掺杂、材料性质有关。2.内建电势在横跨在pn结上的电压，而不是横跨在二极管上的电压55.1 p

2、n结n载流子的分布n耗尽区宽度000000expexppnpnnqVnkTpqVpkT1/22adooadNNVWqN N注意：耗尽区宽度正比于V01/2。 导致耗尽区电容依赖于电压。65.1 pn结n正偏：扩散电流q越过势垒的概率q内建电场q少子注入少子注入 0exp0expnnoppoqVppkTqVnnkT结定律结定律描述外加电压对注入少子浓度的影响描述外加电压对注入少子浓度的影响75.1 pn结n少子注入少子扩散n少子扩散电流密度n总电流2,holeexp1piDpdqD nqVJL NkT注意：1.假定耗尽区很窄，电子和空穴电流跨越耗尽区时几乎不变。2.假定中性区长度大于少子的扩散长

3、度。长二极管exp1soqVJJkT2hesoihdeaqDqDJnL NL N肖克利公式肖克利公式85.1 pn结n短二极管n中性区长度比扩散长度短n耗尽区边界，满足结定律n中性区边界，不存在过剩少子n扩散区（中性区）内，少子不复合n流经中性区的电流保持不变2exp1pnindpaqDqDqVJnNNkT95.1 pn结n正偏：复合电流耗尽区不完全耗尽，耗尽区不完全耗尽，存在复合电流。存在复合电流。recomexp/ 21roJJqVkT2pinronpWqnWJ105.1 pn结n正偏：总电流expexp2soroqVqVJJJkTkTkTVqkTeVJJoexp理想因子1：扩散电流为主2

4、：复合电流为主115.1 pn结n反偏2s0pnipdnaqDqDJnL NL N反向饱和电流密度反向饱和电流密度依赖于材料，依赖于外加电压，依赖于材料，依赖于外加电压，依赖于温度依赖于温度125.1 pn结n除了反向扩散电流外，还存在热产生电流 反偏时空间电荷区内载流子浓度低于平衡值，故产生率大于产生率大于复合率复合率，净产生率不为零。 反偏下，产生的电子-空穴对马上被空间电场分开拉向两侧，从而形成了势垒产生电流，也称为热产生电流热产生电流。genigqWnJ135.1 pn结nPN结反向电流反向扩散电流势垒产生电流表面漏电流q扩散区表面和势垒区表面的复合中心产生电子空穴对，前者使反向扩散电

5、流增加，而后者使势垒产生电流增加。q表面沾污。主要是工艺不良引起Na沾污，或者是水汽分子，相当于表面形成一个电导，形成漏电通路。qSiO2层被Na严重沾污，或者原材料本身是高补偿型的，则在P型SiO2层下Si表面处极易形成反型层。结果是使PN结实际面积增大，空间电荷区产生电流大大增加。145.1 pn结n注入比注入比q当pn结加正向电压时，n区向p区注入的电子电流与p区向n区注入的空穴电流之比。q对于同质结，221211 1012022122021210pnpnnipnppniLD LiqD nn niLqDpD Ln pnpdpanpnND LiiD L N所以决定同质结注入比的是掺杂浓度，

6、要得到高注入比pn结的一边应高掺杂。所以一般作为发射极的材料都是重掺杂。155.1 pn结n注入比注入比q对于突变异质结，q对于缓变异质结，1expexpnvdvpiEqVEiexpngpiEi因此为了得到有利的注入比，可选择适合的长度和渐变方式，从而使能带图趋于平滑。一般来说，异质结晶体管的发射结都是采用缓变的。165.1 pn结n注入比注入比禁带宽度是决定异质结注入比的关键因素。对于p-GaAs/n-Al0.3Ga0.7As异质结，其注入比大约为7.4105。在晶体管、半导体激光器中，注入比是一个很重要的物理量，它决定了晶体管的放大倍数、激光器的阈值电流和注入效率等。这是因为在总电流中，只

7、有注入到基区（或作用区）中的少子才对器件有作用。而在异质结中可以用宽带材料做效率很高的发射极，这是异质结器件的一个重要优点。175.2 双极型晶体管(1)发射区的杂质总量远大于基区，当发射区的杂质总量远大于基区，当WE与与WB接近时，接近时，即要求即要求NE NB 。(2)基区必须很薄，即基区必须很薄，即WB LB 。要使晶体管区别于两个二极管的串联而具有放大作用，必须满足两个基本条件：晶体管放大电路有两种基本类型：晶体管放大电路有两种基本类型：共基极共基极接法、接法、共发射极共发射极接法。接法。185.2.1 基本原理n基极相对于集电极和发射极的偏置电压是公共的，称为共基极（共基极（CB）电

8、路电路n发射极重掺杂n中性基区宽度WB195.2.1 基本原理nEB正偏正偏q空穴注入基极空穴注入基极q电子注入发射极电子注入发射极（少）（少）nCB反偏反偏q空穴驱赶到集电极空穴驱赶到集电极q热产生电流（漏电流）热产生电流（漏电流）nB区内，电子和空穴复合区内，电子和空穴复合nrnEEprpEpCCnrnEBnEpEEIIIIIIIIIIIII,205.2.1 基本原理n先计算发射极结的扩散电流n当WBLh时，即短二极管(0)expEBnnoqVppkT0)(BnWp0(0)pnnEpxBqAD pdpIqADdxW exppnoEBEBqAD pqVIWkT发射极电流发射极电流215.2.

9、1 基本原理nIE由EB结上的正向偏置VEB和基区宽度WB来决定n当不考虑复合时，IC=IEn输入电路的VEB对输出电流的IC进行控制，这就是晶体管特性的本质。n共基极电路获得功率增益225.2.1 基本原理n共基极电流增益（晶体管的电流转换率）q理论值小于1q发射极注入效率的限制q基极复合的存在n基极传输因子n少子渡越时间ECII11pEnEpEnEpEIIIIICCTpEEIIII22BBpWD理想理想1BEEBWW235.2.1 基本原理n共基极电流增益nB时间内复合的几率为B/ p，n穿越过基极的几率为1- B/ p1CBTpEpII 1BTp 基极传输因子基极传输因子共基极电流增益共

10、基极电流增益245.2.1 基本原理n再来考虑基极电流1BBBpEnEEEppIIIIIBECIII晶体管的电流增益1pCBBII255.2.1 基本原理n现在考虑集电极电流n热产生的漏电流？q让IE开路q只有漏电流ICBO (1)CECBOBECBOIIIIIIexppnoEBEBqAD pqVIWkT晶体管的本质是IE受VEB控制作用，即IC也受VEB控制。265.2.1 基本原理n直流特性n厄利效应275.2.1 基本原理n 2BCEBAdBdBCEW VWVdxxdV可见，为减小厄尔利效应，应增大基区宽度WB , 减小集电结耗尽区在基区内的宽度 xdB, 即增大基区掺杂浓度NB 。28

11、5.2.1 基本原理n截止频率n特征频率fTq1所对应的工作频率（电流放大最高工作频率）q基区渡越时间q发射极延迟时间q减薄基区宽度WB，可采用浅结扩散或离子注入技术q降低基区掺杂浓度NB以提高DnB；适当提高基区杂质浓度梯度，以建立一定的基区自建电场。q减小结面积AE、AC，减小集电区电阻及厚度，以减小结电容。29n同质双极型晶体管在改进器件的高速性能时存在有本征限制。q获得高增益需要提高发射区掺杂浓度，减薄基区宽度。q提高fT需要减小发射区电容，减少基区电阻，减小集电区电阻。q减小厄尔利效应，又要增大基区宽度，或增大基区掺杂浓度。q典型的硅基BJT中，基区的掺杂和宽度都是折中考虑，器件的延

12、迟主要是由基区渡越时间所确定的。5.2.2 异质结双极型晶体管 30n宽带隙发射极的设计可以放宽对基区掺杂浓度的限制，因为轻掺杂的发射极和重掺杂的基区可以保持足够的发射效率，同时采用具有低电阻的薄基区的结构。q这种设计可以显著改进器件的性能。q自从1970年开始，由于MBE和MOVPE技术的实用化，使得使用晶格匹配的III-V化合物半导体系统（诸如AlGaAs/GaAs、InP/InGaAs、InAlAs/InGaAs）制作HBT晶体管成为可能。硅基的HBT技术也已经开出来了，可采用SiGe，SiC和氧掺杂的Si来构造发射极/基区异质结。5.2.2 异质结双极型晶体管 31n1 HBT基本结构

13、 q台面型q离子注入型5.2.2 异质结双极型晶体管 利用液相外延法或分子束外延法在高掺杂的GaAs或InP衬底上依次生长掺杂合适的集电区、基区和发射区的外延层形成npn结构，再用光刻法刻出台面，分别做上欧姆电极。先用液相外延在n+型InP衬底上生长一个InGaAs/InP的nn型异质结，然后用Be、Si进行三次离子注入形成npn结构，离子注入型的结构更利于集成化。32n1 HBT基本结构q离子注入型的特点包括基区接触电阻小、层结构组合的灵活性、C-B电容低等。q台面型（自对准工艺）的特点是简单，快速，低温工艺，基区接触电阻非常高，电流增益比较低等。 5.2.2 异质结双极型晶体管 33n2

14、HBT器件的直流特性 5.2.2 异质结双极型晶体管 考虑一个缓变npn异质结，其能带如图所示。发射区为n型宽带材料，基区和集电区为窄带材料。发射极电流由三部分组成：越过势垒由发射区注入到基区导带中称为少子的电子电流In；通过界面缺陷进入基区价带和空穴复合的电流Id（包括复合电流和隧道电流）；基区空穴越过势垒进入发射极的空穴电流Ip。集电极反偏，反向电流主要由发射极注入到基区的少子漂移到集电区形成Ic，同时将在基区复合一部分，形成基区复合电流Ir 。34n2 HBT器件的直流特性 5.2.2 异质结双极型晶体管 EnpdBprdCnrIIIIIIIIIII则增益CnrBprdIIIIIIInp

15、IImax异质结的注入比用宽带材料做发射极可以使max达到105左右。但实际的晶体管达不到这个极限。35n2 HBT器件的直流特性 5.2.2 异质结双极型晶体管 缓变异质结的注入比：maxexp/nEnBgBpBpEJNEk TJN即使是在NE100，则Eg应当0.24eV，这对应的是Al含量在22%左右的宽禁带AlGaAs发射极。注意：x=0.25时， Eg=0.39eV，注入效率显著提高； x0.2时，AlGaAs层出现深施主，发射区电容增加。36n2 HBT器件的直流特性 5.2.2 异质结双极型晶体管 采用缓变发射结的不足之处不足之处在于(1)在抑制由基区注入到发射区的空穴不是特别有

16、效(所造成的降低可以部分由基区电子速度增加来补偿)，(2)可能会有基区杂质的扩散。 优点优点有：(1) 由于发射结缓变，存在自建电场，使得其空间电荷区的载流子复合减小；(2)同时提高了电子的注入；(3)异质结的选取上更方便。37n2 HBT器件的直流特性q讨论讨论影响增益的因素：n注入效率，它是注入电子电流In和总的发射极电流之比n基区输运系数T 5.2.2 异质结双极型晶体管 nnpdIIIInrTnIII38n2 HBT器件的直流特性q假设基区输运系数T为1，即基区足够薄，复合可忽略q注入效率为q增益为5.2.2 异质结双极型晶体管 nndIIIndIIexp(/)qVkTexp(/)qV

17、kT1exp(1)(/)qVkTn当InId时，发射极总电流IEIn，则1(1)nEI这说明复合电流的存在使得晶体管的增益随着发射极电流的增加而增加。39n2 HBT器件的直流特性 5.2.2 异质结双极型晶体管 AlGaAs/GaAs HBT中的基极电流远比硅基BJT器件的复杂。AlGaAs中深能级缺陷对于控制发射结的复合中心起到了非常重要的作用。一般来说，HBT基区电流可能包含以下四项：(1)基区的复合电流，(2)发射结空间电荷区的复合电流，(3)发射区注入的空穴电流，(4)环路电流。 exp/BBEBIqVnk Tn为二极管的理想化因子，其值在1-2之间。40n2 HBT器件的直流特性

18、5.2.2 异质结双极型晶体管 当基区电流主要是基区复合电流时，n值接近于1，电流增益为常数。如果基区电流主要是发射结空间电荷区的复合电流时，此时n=2，电流增益随IC的增加而增加，随温度的升高而减小。如果是以发射区注入的空穴电流为主时，n=1，电流增益随温度的升高而减小。 需要注意的是，采用宽带隙材料为发射区，使得其ni较小，从而相对于Si BJT来讲，HBT的发射结空间电荷区复合电流比基区复合电流所占比例更大。还有比如表面复合电流、隧道电流（基区重掺杂）也需讨论。41n2 HBT器件的直流特性 q假设注入效率足够高，即=1q增益为5.2.2 异质结双极型晶体管 1exp() 11nrTBT

19、rnIIWIL少子的扩散长度越大，基区越薄，增益越高。当然，增益还与温度有关，比如扩散长度是温度的函数，各种电流组分均与温度有不同的函数关系。42n2 HBT器件的直流特性 q或者5.2.2 异质结双极型晶体管 nB基区电子寿命 基区渡越时间 基区均匀掺杂，由扩散控制 2/2BBWD基区缓变，由漂移控制 /BBnW 为了获得高的电流增益，B就要求尽可能的小。所以采用缓变发射结缓变基区HBT，当基区很薄，电场很强，需要考虑速度过冲。 43n2 HBT器件的频率特性 q在实际晶体管中并不要求增益无限制地增大，高增益甚至会导致器件特性不稳定。q异质结注入比大的优点并不完全用来增大增益，更重要的是用来

20、提高晶体管的频率特性。q同质结晶体管提高注入比的办法是使发射极高掺杂而基区低掺杂，结果造成发射极电容和基区电阻都比较大。q而在异质结晶体管中在保证得到同样的注入比条件下，可使发射极掺杂降低而基区掺杂增高，从而减少了发射极的电容和基区电阻。5.2.2 异质结双极型晶体管 44n2 HBT器件的频率特性q截止频率fT是一个非常重要的品质因子。它描述的是使共发射极电流增益变为1时的频率。5.2.2 异质结双极型晶体管 12ECBTCTfCccTCr C22BBBnnWWDcTCsx发射极电容充电时间 集电极充放电时间 有效基区少子渡越时间 载流子渡越集电极-基极的时间 4(0)BEeTEDETEEk

21、 Tr CCCqI45n2 HBT器件的频率特性 5.2.2 异质结双极型晶体管 HBT的功率增益 28TbbTCfGf r C说明：功率增益与截止频率成正比，与基区寄生电阻和集电极-基极结电容成反比。GaAs的电子迁移率高可以降低B和rcc，同时又使得截止频率和功率增益增加。采用缓变基区后， B可进一步减小。当AlGaAs/GaAs HBT的发射极宽度为1.2m时，器件的截止频率可高达75GHz。 46n除了基于GaAs材料的HBT，还有其他几种新型的HBT，如基于InP的DHBT器件等。5.2.2 异质结双极型晶体管 当集电极结也做成异质结时，就是所谓的双异质结晶体管。其优点是可以抑制由基

22、区进入集电区的少子电流，同时增大的击穿电压，减少了漏电流，并在逻辑集成电路中发射极和集电极能够互换。中国科学院微电子所研制成功的DHBT器件击穿电压大于6V，最高电流增益截止频率达到176GHz，最大振荡频率高达253GHz。47n如基于Si/SiGe的应变HBT。5.2.2 异质结双极型晶体管 当这类HBT具有很高的注入效率；同时采用成熟的Si工艺，工艺简单可靠，价格便宜，机械和导热性能良好，可以在同一衬底上集成电子或光电子器件。48n请总结思考：HBT与Si BJT相比有哪些优势？5.2.2 异质结双极型晶体管 49n场效应晶体管是区别于双极型晶体管的另一大类晶体管。它通过改变垂直于导电沟

23、道的电场强度来控制沟道的导电能力，从而调制通过沟道的电流。由于场效应晶体管的工作电流仅由多数载流子输运，故又称之为“单极型场效应晶体管”。n根据其结构(主要指栅极结构)和制作工艺，FET可分为三类：q结型栅场效应晶体管(缩写JFET)，由于原理上近似，有时也将肖特基栅场效应晶体管金属-半导体场效应晶体管(缩写MESFET)划归此类；q绝缘栅场效应晶体管(缩写IGFET) ，MOSFET属于此类；q薄膜场效应晶体管(缩写TFT)。5.3 场效应晶体管50n结型栅场效应晶体管，其栅极的控制作用是通过反向偏置pn结或肖特基结来实现的。其导电过程发生在半导体材料的体内，故JFET属于“体内场效应器件体

24、内场效应器件”。绝缘栅场效应晶体管和薄膜场效应晶体管的导电过程均发生在半导体表面薄层内。故从导电机构的角度看，它们均属于“表面场效应器件表面场效应器件”。n无论是“体内的”，还是“表面的”，它们都具有场效应半导体器件的共同特点：q体积小、重量轻、直流输入阻抗高、噪声低、热稳定性好等；q与双极型晶体管相比是一种电压控制器件通过输入电压的改变控制输出电流，而双极型晶体管为电流控制器件。5.3 场效应晶体管51n以JFET为例，其基本结构如图5.3.1 JEFT52nJFET的工作原理5.3.1 JEFT0GSVDSDABVIRPDAPVIR53nJFET的工作原理5.3.1 JEFT2GSVV P

25、GSDAPVVIR54nJFET的工作原理5.3.1 JEFT5GSVV 特性曲线55nJFET的工作原理qIDS相对独立于VDS，而受栅极电压VGS的控制。类似于BJT晶体管中集电极电流受控于基极-发射极电压。5.3.1 JEFT晶体管效应就是指在漏-源电路中栅-源电压VGS对漏极电流IDS的控制作用。56qJFET的名称来源于在反偏的耗尽层中通过变化VGS来调节电场，而改变耗尽层向沟道内延伸，进而改变沟道电阻的这个效应。q该作用被认为是基于场效应。因为在栅和沟道之间有个p+-n结，所以称为结型场效应晶体管。这个反偏的结对栅和沟道起到隔离的作用。q发生夹断后的区域称为电流饱和区，需要注意的是

26、JFET的饱和区是起放大作用的，与BJT的饱和区不要混淆。5.3.1 JEFT57nJFET的工作原理5.3.1 JEFT2Dps2qN aV夹断电压 阈值电压 TbiPVV电压增益 ()DmgsdsVmDgsgsRg vvAg Rvv 58n表面场效应概念的提出可以追溯到1926年。n渗透到半导体中的场，决定其中的载流子的多少积累/耗尽/反型。nFET的种类很多，结构类似，不同的是沟道位于何处、沟道-栅绝缘如何实现、栅绝缘层的材料不同、沟道是否掺杂等。5.3.2 MOSFET59n金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体（有时叫做金属金属-氧化物氧化物-硅硅）场效应场效应晶体管晶体管常常称为MO

27、SFET，也简称为MOST（金属金属-氧化氧化物物-半导体晶体管半导体晶体管）。n它归属于称为IGFET（绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管）或MISFET（金属金属-绝缘体绝缘体-半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管）的一大类器件，这类器件有一个用介质层与半导体呈电隔离的栅极。MOSFET有作为绝缘层的氧化物，因为Si上热生长的氧化物/半导体界面接近理想情况，所以它通常指的是硅器件。n另一方面，MISFET则意指基于化合物半导体的IGFET。5.3.2 MOSFET60nMOSFET的工作原理5.3.2 MOSFET,0GSTDSVV V(),GSTDSDS satVV VV(),GSTD

28、SDS satVV VV(),GSTDSDS satVV VVDSDn chVIR()DS satDAPchVIR夹断夹断615.3.2 MOSFETn当VGSVT后， ID先随VDS线性增加，再趋向饱和。n当VDS VDS(sat)后， ID几乎不依赖于VDS，而是明显依赖于VGS。此时漏-源输出电路中的饱和漏极电流ID几乎完全由栅-源输入电路上的VGS的控制。这就是MOSFET的工作机制。增强增强的意思是，在漏源之间需要一个超过VT的栅电压来形成导电沟道。625.3.2 MOSFETn阈值电压nMOSFET的阈值电压阈值电压VT是栅极下面的半导体表面呈现强强反型反型，从而出现导电沟道时所加

29、的栅源电压栅源电压。强反型强反型：是指半导体表面积累的少数载流子的浓度达到和超过体内多子浓度的状态；或者半导体表面能带弯曲至表半导体表面能带弯曲至表面势等于两倍费米势面势等于两倍费米势。实际上，栅源电压除了提供反型的2倍费米势外，还需要建建立耗尽层电荷立耗尽层电荷、抵消金抵消金-半之间接触电势差半之间接触电势差、以及补偿氧化补偿氧化层中电荷层中电荷。63nMESFET是金属金属-半导体半导体-场效应晶体管场效应晶体管的缩写。实用场效应晶体管的JFET形式于1953年实现，而MOSFET形式则于1960年实现。n由于硅材料的独特的、接近理想的天然氧化物性质，所以MOSFET只使用硅材料。nMES

30、FET更适合用化合物半导体制备，GaAs已成为制作这种器件的主流材料。与JFET相比，它在制作工艺方面具有优势。n目前，MESFET是高速和微波电路的主导器件。5.3.3 GaAs MESFET 645.3.3 GaAs MESFET n与硅基MOSFET器件性能相比，GaAs MESFET器件的性能有了很显著的提高，这主要是材料的特性所造成的。 qGaAs导带电子的迁移率是是Si的6倍，峰值迁移速率是Si的2倍。 q器件的有源层是生长在半绝缘的GaAs衬底上的，GaAs的电阻率高达107cm。而与此相对比，本征Si的典型电阻率为30cm。qGaAs的少子寿命短 。 低的寄生电阻，较大的跨导，

31、以及较短的电子渡越时间 低的寄生电容 很好的抗辐照能力 65nMESFET是一种由Schottky势垒栅极构成的场效应晶体管。它与p-n结型栅场效应晶体管相比，只是用金属-半导体接触势垒代替了p-n结栅。nMESFET的工作原理与JFET基本相同，但有两点差异： q在长沟道(0.52m) GaAs-MESFET中，速度饱和模型能较好地描述I-V特性； q对于栅长动量弛豫时间，则电子的输运将是瞬态的，有明显的速度过冲效应速度过冲效应(对短沟道Si器件，无明显的速度过冲)。5.3.3 GaAs MESFET 665.3.3 GaAs MESFET n1 基本结构 它是在半绝缘的GaAs衬底上外延生

32、长一层n-GaAs作为有源层，并在该层上生长一层金属形成肖特基势垒，再引出栅极（G），并在栅极两侧形成欧姆接触作为源极（S）和漏极（D）。源漏之间的导电层构成了沟道，沟道电阻由栅源电压Vgs进行调节。半导体-金属栅极接触在MESFET沟道中产生了一个耗尽区，该耗尽区的厚度依赖于栅源电压Vgs。 67n2 直流特性 nMESFET与JFET相似，差别在于(1)它是单栅极，(2)栅极由金属-半导体结形成。n其源极和漏极之间的晶体管电流主要受栅极控制。栅偏置对栅区下方的耗尽层宽度进行调制，以改变沟道开口。n分析可知，如果沿沟道的电势变化比垂直于沟道的小（相当于L），则可使用渐变沟道近似，在该近似下可

33、应用一维解处理。 5.3.3 GaAs MESFET 22DpqN AVTpbiVVV 68n2 直流特性 5.3.3 GaAs MESFET ( )chchDdI dxdVI dRq N W AA x1/22( )( )dbiGDA xV xVVqN3/23/201/223ibiGbiGchipVVVVVIgVVFET晶体管的基本方程 69n2 直流特性5.3.3 GaAs MESFET 根据肖特基模型，电流饱和发生在导电沟道在漏极一侧夹断时。 3/201/21233SbiGchpobiGsatpVVIgVVVV定性上讲，若漏极偏置高于VD，sat，夹断点开始向源极移动。但是，夹断点的电势始

34、终保持为VD，sat，而与VD无关。因此漂移区内的电场保持恒定不变，从而引起电流饱和。D,satGTVVV70n2 直流特性5.3.3 GaAs MESFET 实际表明，Isat并不随VD完全饱和，这是由于源区和夹断点之间的有效沟道长度减小的缘故。 3/201/21233SbiGchpobiGsatpVVIgVVVV71n2 直流特性p以上分析都是基于假设为迁移率模式。p在短沟道器件（L1m）中，沟道纵向电场高到足以驱动载流子到速度饱和。其速度-电场关系可以用临界电场Ec和饱和速度来表征。5.3.3 GaAs MESFET p在这种情况下，甚至在夹断之前，电流也将随VD饱和，并有新的VD，sa

35、t值。D,satcVE L72n2 直流特性5.3.3 GaAs MESFET 11/SDSDSDScgIIVE L电子速率饱和时的临界电场 栅极长度 21tanhDSGSTDSDSIVVVV短沟道下情况下的饱和电流经验公式73n2 直流特性5.3.3 GaAs MESFET ds cdsmgsVIgV在固定的漏极电压（Vds）下，沟道电流（Ids）被栅极电压（Vgs）的调制作用。器件的跨导1/201biGSmpVVggV迁移率模式satDmPbiG2()Sqv WANgV VV速度饱和模式与迁移率模式相比，VD，sat、Isat和gm，sat全都因速度饱和而下降。 74n2 直流特性5.3.

36、3 GaAs MESFET 电压增益AV dsmVgsdsVgAVggs cdsdsdsVIgV图5.14 实验测量得到的GaAs MESFET输出特性曲线。影响输出跨导的因素包括由沟道注入到非掺杂的缓冲层的电荷、通过表面和沟道-衬底状态导电的机制等。GaAs MESFET的增益隐含在跨导参数gm之中。 75n3 微波特性5.3.3 GaAs MESFET 截止频率 21mTsdgsgdmgdsddsgfRRCCg CRRRn为了得到高的截止频率，栅极电容和寄生电阻都必须尽可能的小，而与此同时，跨导则必须尽可能大。n这就要求：沟道的载流子有效速度要高；栅极长度要短；寄生电阻要小。76n4 应用

37、nGaAs MESFET具有较高的载流子迁移率、较低的寄生电容，所以具有高速的优点。已用于通信、计算机及军事系统的高性能电路中。已可提供达40GHz的商用微波放大器，对于0.25m沟道长度的器件，有望达到100GHz。nMESFET也可用作微波功率器件，可施加约10V的电压。无栅极的FET或饱和电阻器有时用作MESFET逻辑电路中的负载。5.3.3 GaAs MESFET 77nGaAs MESFET已经达到相当高的水平，但当其组成电路后，却比一般高速硅器件电路的速度好不了多少。n同时， GaAs MESFET沟道掺杂很高，电离杂质散射使得电子迁移率从理论值急速下降。n高电子迁移率晶体管（HE

38、MT）又称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET）是20世纪80年代初发展起来的一种异质结半导体场效应器件。5.3.4 HEMT器件器件300K77KSi MOSFET6301500GaAs MESFET48006200HEMT800054000785.3.4 HEMTnHEMT的独特性在于异质结构异质结构，在该结构中对宽能隙材料进行掺杂，载流子扩散到未掺杂的窄能隙材料中，并在此形成沟道，沟道中电子在垂直方向上的动量是量子化的（即二维电子气） 。q故又称为二维电子气场效应晶体管二维电子气场效应晶体管（TEGFET）。n这种调制掺杂的实际结果是，未掺杂异质界面上的载流子在空间上与掺杂区隔离，且由于

39、不存在杂质散射而具有极高的迁移率。 795.3.4 HEMTn1 HEMT器件结构 qAlGaAs/GaAs HEMT的截面结构与能带结构 n首先在半绝缘GaAs衬底上采用MBE依次生长高纯GaAs、n-AlGaAs和n-GaAs层，然后进行台面腐蚀以隔离有源区，接着制作源、漏、欧姆电极，并通过离子刻蚀去除栅极面上的GaAs层，最后在AlGaAs表面沉积栅电极。805.3.4 HEMTn1 HEMT器件结构 qAlGaAs/GaAs HEMT的截面结构与能带结构 n由于AlGaAs的禁带宽度比GaAs大并且肖特基势垒的作用，使得n+AlGaAs施主层全部耗尽，电子转移到AlGaAs/GaAs界

40、面处，在i-GaAs沟道中形成高迁移率沟道。n由于AlGaAs晶体的表面状况不太好，在其上不易制作良好的欧姆接触，所以一般需要一层高掺杂的n+GaAs覆盖层来过渡，形成低电阻的欧姆接触。 815.3.4 HEMTn1 HEMT器件结构 qAlGaAs/GaAs HEMT的截面结构与能带结构 n栅电压可以改变三角形势阱的深度与宽度，从而改变2-DEG的浓度，所以可以控制器件的漏电流，这种模式属于耗尽型工作模式。n如果减薄AlGaAs层的厚度，或减小该层的掺杂浓度，则在肖特基势垒作用下，三角形势阱中的电子将被耗尽，只有栅电压为正时才能形成提供导电的2-DEG，该模式属于增强型工作模式。825.3.

41、4 HEMTnHEMT的工作区是未掺杂的i-GaAs， n+AlGaAs层的电离杂质中心对近邻的2-DEG的库仑散射仍旧存在。因此为了完全隔离，往往在两层间再制作一层i-AlGaAs，可大大提高2-DEG的迁移率。n但是如果i-AlGaAs太厚，则又会使得2-DEG的面密度下降和源漏电阻增加。一般取7-10nm为佳。n1 HEMT器件结构 qAlGaAs/GaAs HEMT的截面结构与能带结构 835.3.4 HEMTn对于HEMT来说， AlGaAs层的厚度和Al组分都需要特别考虑。qAlGaAs越薄，串联电阻越小。q增强型器件要求AlGaAs层薄比较好，而如果是耗尽型器件则需要厚些。q提高

42、Al的组分，可增大禁带宽度，导致其导带突变量增大，从而使得2-DEG的浓度增加，对于减小寄生电阻、提高高频性能是有益的。q但组分过大，则容易是表面缺陷增加，工艺也难于实现，故而一般选取0.3左右。845.3.4 HEMTn2 直流特性 HEMT器件的输出特性 与MESFET器件输出曲线非常相似，其电流方程为： 022( )( )( )DGdDGk T dnVV ydVIqWynVV ydyqdy当器件饱和时，对于长沟道来说 2( )dsDqWInu duL855.3.4 HEMTn2 直流特性 阈值电压 CTbnPEVVq夹断电压 d2DdPD0ss( )2xqN xqVNy ydy跨导 ef

43、fdsmgsIgWVh截止频率 m,satTopar2 ()gfWLCC865.3.4 HEMTn对于大多数实际器件，由于载流子速度饱和，所以在发生夹断之前电流就已随VD达到饱和。这与调制掺杂得到的高迁移率直接相关。n对于短沟道器件， 2-DEG面密度与栅压无关，n跨导为2dsDeffIqnW,22,()()D sateffmDGSDGSVD satqgnVnVVVD,satcVE L875.3.4 HEMTn3 应用q由于HEMT具有很高的跨导，所以这种器件最初主要是为高速应用而开发的。q颇为令人惊奇的是，后来发现这种器件也具有比其它FET更优良的噪声性能。噪声性能的改进与二维电子气性质有关

44、。qHEMT电路的速度大约比MESFET快三倍。商用HEMT产品，可在高于60GHz的频率下工作，其沟道长度在0.25-0.5m范围。预期未来的极限速度将高达100GHz。885.3.4 HEMTn4 当代HEMT技术 1)赝GaAs HEMT 这种器件的沟道是由InGaAs构成的。且AlGaAs/InGaAs界面处能带的不连续性要比AlGaAs/GaAs界面处的大，使得2-DEG的面密度增加。895.3.4 HEMTn4 当代HEMT技术 1)赝GaAs HEMT 同时，In的掺入会导致沟道迁移率的增加。且沟道的晶格常数比衬底层、覆盖层、AlGaAs施主层和空间隔离层的晶格常数大，因而所形成

45、的沟道是一个应变沟道。从而不会引入缺陷。因而，p-HEMT器件中沟道载流子浓度比HEMT器件的大，具有更大的电流驱动能力。且沟道中的电子被限制在InGaAs/GaAs缓冲界面处，使得电荷控制进一步改善，减小输出电导，改善夹断特性。905.3.4 HEMT2)双异质结GaAs HEMT 在HEMT器件沟道下再引入一个掺杂层。这样设计可使得沟道中载流子的浓度增加1倍，这相当于在保持器件宽度不变的情况下，漏源电流变大了。此外，器件的接触电阻变小，这会导致驱动器件进入饱和所需的漏极电压变小了。由于这些原因，双异质结HEMT通常用于功率放大器设计。 915.3.4 HEMT3)晶格匹配赝InP HEMT

46、 在HEMT器件非沟道层中添加In可导致器件沟道中体内电子浓度增加，以及载流子的有效速率和迁移率的。因而，对于器件的高频应用，沟道中就需要比较大的In掺杂。令人遗憾的是，由于晶格失配的原因，直到现在才能在GaAs衬底上生长出高质量的InGaAs薄膜（In的含量可高于35%）。925.3.4 HEMT3)晶格匹配赝InP HEMT InP的晶格常数比GaAs大，因而可在InP衬底上制作出完全无应力的HEMT器件，沟道中In的含量可高达53%。这种高In含量的器件称为晶格匹配InP HEMT。与GaAs HEMT相比，器件的跨导和截止频率等特性都得到了显著的改进。 935.3.4 HEMT4)形变

47、GaAs HEMT 直接在GaAs衬底上生长高含量In沟道层是不可能的，这主要是晶格失配现象非常严重。然而，在沟道层下面使用缓冲层，在缓冲层中In的含量缓慢变化，或是按照一系列阶梯变化，就可得到高质量的单晶高含量In的沟道层。由于沟道晶格常数和衬底晶格常数不同，基于这类层状结构的HEMT称为形变HEMT。 渐变945.4 半导体光源n半导体光电器件，即半导体光源和半导体光电探测器，这些器件主要是用化合物半导体来制备的，这主要是基于以下两个方面的原因：q一是大部分化合物半导体是直接跃迁半导体，内光电转化效率高；q其次，化合物半导体材料禁带宽度有一个较大的变化范围。q未来化合物半导体光子器件可用来

48、构建光电集成电路和光学计算机n半导体光源是将输入的电能转化为光能的器件，其机理是电致发光，即在一定的偏置下，由通过器件的电流产生光的现象。qLED（发光二极管）qLD（激光二极管）955.4 半导体光源三种跃迁过程E2E1h（a）自发辐射）自发辐射E2E1（c）受激辐射）受激辐射E2E1（b）受激吸收）受激吸收hhh受激辐射与自发辐射虽然都是受激辐射与自发辐射虽然都是从高能级向低能级跃迁并发射光子的从高能级向低能级跃迁并发射光子的过程过程，但这两种辐射却存在着重要的区别。，但这两种辐射却存在着重要的区别。最重要的区别在于光辐最重要的区别在于光辐射的相干性射的相干性，由，由自发辐射自发辐射所发射

49、的光子的频率、相位、振动方向都所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一定的有一定的任意性任意性，而，而受激辐射受激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激发的光子高度一致，即有向上与激发的光子高度一致，即有高度的简并性高度的简并性。965.4.1 LEDn1 LED原理GaAs直接禁带半导体电子空穴对复合导致光子发光零偏压下，势垒阻碍电子从n型一侧向p型一侧扩散。正偏压下，势垒降低，n+一侧的电子开始扩散到p区。从p区注入到n+区的空穴数量远远小于从n+区注入到p区的电子数量。注入电子在耗尽区复合，并引起光子发射。这种由于电子空穴对复合的光发射现象，称为注入

50、电致发光。975.4.1 LEDn1 LED原理需要注意的是，对类似于GaP这样的材料，电子空穴对的复合过程借助复合中心发生，涉及到晶格振动而不是光子发射。如果用将N掺入GaP中，替代P原子，则要形成等电子陷阱，接近导带底，当它俘获一个导带电子后，形成带电中心，该带电中心由于库仑作用又能俘获一个空穴，从而形成束缚激子。这种依靠束缚激子的直接复合发射的光子，其能量略小于禁带宽度。GaAsP可以覆盖整个可见光谱，当P组分N1 粒子数反转粒子数反转 为了获得粒子数反转，可使用外部源如光源的激励。对于注入式激光器， p-n结正偏置提供载流子注入。在结的任何一侧，注入的少数载流子与多数载流子复合以产生光

51、。 1185.4.2 LD1 激光振荡原理产生激光要的条件除了粒子数反转外，还需要：谐振腔谐振腔：能起到光反馈作用，形成激光振荡；形成形式多样，最简单的是法布里-帕罗谐振腔。还必须满足阈值条件阈值条件：也就是增益要大于总的损耗。F-P腔 intmirg1195.4.2 LD2 LD结构所有实用的LD都是双异质结结构。载流子被限制在n-GaAlAs和p-GaAlAs之间，是由于两者之间的带隙宽度不同所造成的。很大的正向偏压下，简并掺杂的GaAs层中，导带底有大量电子，价带顶有大量空穴，即此时N2N1。某个hvEg的入射光子激发p- GaAs层导带中的电子，从而产生受激发射。在有源层中这个过程是雪

52、崩似的，最终实现光放大。放大的程度依赖于粒子数反转的程度，即依赖于LD的正向电流。所以LD存在一个阈值电流。1205.4.2 LD2 LD结构激光器在结构上的另一个独特性是，要求光的输出方向上具有光学谐振腔。这意味着形成谐振腔的两个垂直面应该完全垂直于结，且必须象镜面一样的平滑，具有最佳反射性。这可以通过腐蚀、抛光或最通用的自然解理来实现。法布里-珀罗反射镜之一能够全反射，使光只从一端射出。1215.4.2 LD2 LD结构平行于激光输出的反射镜表面粗糙到能产生强烈吸收，以防止横向上的激光振荡。为了限制横向光输出，可使用条形几何结构。 这就需要光波导结构。光波导利用了光在不同折射率的介质中传播

53、时发生的全反射现象。这样就可以将光限制在高折射率介质中。1225.4.2 LD2 LD结构半导体激光器可分为增益引导激光器和折射率引导激光器。在增益引导激光器中，传播模式被限制在侧向传播，而水平方向的传播在设计中则不加考虑；在折射率引导激光器中，则模式的传播在横向的2个方向都被加以限制。一个非常普遍的导波结构是脊型激光器，这是一种弱折射率引导激光器。 1235.4.2 LD3 LD特性阈值电流 th211211ln()2dJCCLR R低于Jth时，与LED相似，自然发射产生的光谱具有200-500的带宽。若电流稍高于Jth，则将出现分立的窄谱线，其带宽大大减小到数。这些多模的出现是由于形成了

54、相干光，重复反射的光必须与谐振腔内其余的光同相。 2r2Lnr2cvLn 多线振荡称为纵模纵模。在更大的电流下，纵模数减少 。1245.4.2 LD3 LD特性0/0T TththJJe阈值电流 功率效率 intthoutmirPmirIIPhVIqVI1255.4.2 LD3 LD特性优点：优点：pLD的响应速度较快，可用于较高的调制速率。pLD的光谱较窄，应用于单模光纤时，光在光纤中传播引起的色散小，可用于大容量通信。而LED中由于没有选择波长的谐振腔，所以它的光谱是自发辐射的光谱。其谱宽度一般为0.030.04m。p由于LD辐射光束的发散角较小，因而耦合的光纤中的功率较高，传播距离较远，

55、而LED的发散角一般在4020范围内，耦合到光纤中的效率较低，通常只有3%左右。pLD的输出光强及效率较高，LED的输出光强及效率较低。1265.4.2 LD3 LD特性缺点：缺点：q温度特性较差。LD的阈值电流依赖于温度T，故其输出功率也依赖于T。LED没有阈值电流，故其温度特性较好。q易损坏，寿命短。半导体光源的损坏一般由三种原因引起，即内部损坏（如p-n结损坏），接触损坏（如引线断掉）和光学谐振端面的损坏（如光纤碰角或端面污染引起）。前两种为发光二极管和激光二极管所共有，而后一种损坏却是LD所独有的，由于这一因素而大大降低了LD使用寿命。qLD价格昂贵，LED比较便宜。qLD的P-I曲线

56、不如LED的P-I曲线线性范围大，调制时的动态范围相对较小。1275.4.2 LD4 应用q激光器是现代光纤通信应用的必不可少的光源，其主要优点是有很宽的带宽。由于光纤的特性，故用于光纤通信的最佳波长选择在1.3到1.5m之间。已经证明调制率高于20Gb/s，相关的应用有定向射束通信（如卫星之间的通信）。q激光器也可以用于激光雷达系统、地形断面测距仪、军事导航、跟踪和制导系统以及入侵告警系统。q能够存储和恢复三维图像的全息照相技术也是其重要的应用领域。q高度定向射束能有效应用于精密对准，而且在极高功率密度下可用来切割金属、钻孔（也用于木材和陶瓷）和焊接。1285.4.2 LD4 应用q激光束可

57、烧断集成电路中用于连接的金属互连。q激光器还可在医学领域用于外科手术，如视网膜修复及癌变的探查。对于化学放射光谱分析如废气和污染分析（3-12m波长）及气象学，它也是很好的分析工具。q在一般商业应用中，它已广泛应用于小型音频光盘（CD）和视频光盘（DVD）播放机、复印机及打印机。 1295.6 半导体光电探测器n半导体光电探测器是一种将光信号转变成电信号的半导体器件。 n探测器q光子探测器光子探测器q光热探测器光热探测器单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子

58、或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小直接影响内部内部电子状态的改变。光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变。电子状态的改变。探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果又使探量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。外光电效应（光电发射效应）外光电效应（光电发射效应）内光电效应内光电效应本征型光电效应本征型光电效应非本征型光电

59、效应非本征型光电效应内光电效应内光电效应温度变化温度变化体积变化体积变化电阻变化电阻变化电势变化电势变化热释电效应热释电效应1305.6 半导体光电探测器光子器件光子器件热电器件热电器件响应波长有选择性，一般响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，有截止波长，超过该波长，器件无响应器件无响应响应波长无选择性，对可响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感的辐射同样敏感响应快，吸收辐射产生信响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为号需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒纳秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒响应慢，一般为几毫秒1315.6 半导体光电探测器

60、n各种不同类型的光电探测器的性能由其量子效率、频率响应及响应灵敏度决定。n在这里所讨论的半导体探测器是本征型的，即半导体中所产生光子的能量接近半导体的禁带宽度。而非本征光电探测器是用来检测能量小于禁带宽度的光，这依赖于深能级陷阱，或者是量子阱中不同的能级。n本节讨论的探测器有光电导、结型如p-i-n二极管、MSM（金属-半导体-金属）型光电探测器和APD（雪崩击穿二极管）。 1325.6 半导体光电探测器在半导体光电探测器中，其所吸收的光子所具有的能量大于或等于Eg 入射光所产生的光电流 pinIRP探测器的量子效率定义为一定数量的入射光子所产生的空穴-电子对的数量 /pinIqhRPhq1w