现代半导体器件第2章

1、第二章 化合物半导体场效应晶体管高珊 20082009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 结构和偏置图图2.1 不同偏压时的不同偏压时的MESFET结构示意图结构示意图2.1.2 FET的类型 导电沟道电容电荷调制原理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（金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET) 异质结场效应晶体管（异质结场效应晶体管（HFET) MESFET（包括与（包括与HFET技术结合）技术结合）dsQq n dgsQC V/sCh图图2.2 HFET和沟道掺杂和沟道掺杂HFET

2、的结构示意图的结构示意图图图2.3 Si,GaAs和宽带隙半导体和宽带隙半导体GaN和和SiC中中电子速度与电场的依赖关系电子速度与电场的依赖关系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DnsqNxx DqNexp1ssthVIRIIV2sbinDVVxqN2212DnbisnqNxxxVVx *2expbSSthJA

3、TV 势垒高度：界面处半导体导带边与金属能级之间势垒高度：界面处半导体导带边与金属能级之间的能量差。的能量差。 肖特基势垒形成的物理机制肖特基势垒形成的物理机制 界面态效应界面态效应 界面态密度很高的情况下，费米能级与中性能级界面态密度很高的情况下，费米能级与中性能级一致。一致。bms图图2.5 界面态的分布示意图界面态的分布示意图受主受主施主施主中性能级中性能级0sdFqNqE0saFqNEq 电子穿越势垒的方式热离子发射热离子发射热离子场发射热离子场发射场发射场发射欧姆接触欧姆接触基本方程 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

4、导体层减小势垒高度。n型：AuGe-Ni,Ag-Sn,AgIn-Ge;p型：AuZn,Ag-In-Zn,Ag-Znexp1ssthVIRIIV*2expbSSthJA TV 场发射机制模型 102expWctRTp x dx *2FcpmExE22/3232FDENm00expbcqRE隧穿至隧穿至x处失去的动量处失去的动量随着隧穿路径上动量随着隧穿路径上动量损失的积分值增加，损失的积分值增加，隧穿概率按指数衰减隧穿概率按指数衰减峰值势垒的贡献峰值势垒的贡献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

5、偏压2sbiGSDVVhqN0DnqNWagL电导率 横截面积长度bah 2sbiGSDVVV xhqNTbipVVV22DpsqN aV夹断模型 GCA的适用范围 线性分段模型/xyddxddyxy/sssnvv和 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 ddDndxdVI dRIqN Wah x3/23/2023DSbiGSbiGSdDSpVVVVVIgVV111satLGTVVVsLpsatGTLVVVVLPsatLVVVVssbahsatDssIqN Wb v 沟道饱和电流表达式 跨导参数21GTsatcGTVIt V22sspLv Wa VV2.3.2 改进的ME

6、SFET 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dchiDSchidsIg Vg VgdgsdsIVVdsDSdsdVVIRRgsGSdsVVI RsnchiqnWgL1chichchisdgggRR沟道电子密度 阈值之上： 阈值以下： 阈值： 统一电荷控制模型：()11gtsaDDpVnNahN aV.minFncEE0expgtsbthVnnV0sthVnqa sasbsasasbn nnnn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

7、饱和电流：22112gtgtthgteththVVVVVV0expgtthsatthVqn WVILV.sat asat bsatsat asat bIIIII2dsthVV2212141gtesatgtesgtescgteVIV RV Rt V线性区与饱和区电流的连续 外推公式： 体电荷影响： DIBL效应：1/11 (/)chdsdsdchdssatg VVIg VI0gteV 0TTdsVVVDIBL系数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

8、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01/gGSGSbiCCVV01/gGDGDbiCCVV22132GDGsatDSGSgGSsatDSVQVVCCVVV22132GSGsatGDgGDsatDSVQVCCVVV022DsgbiqNWLCV 饱和时 CGS=2Cg/3,CGD=0/2 1/sgGTpWL aCVV0DSVMESFET 时是的栅沟总电容建模方法 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。 Meye

9、r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：ijjiCC 01LsDxQqWNh x dxL 0LDDxQqWNh x dxL 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()GsDQQQ seDeQQ和11iijijijjijQCijViiC 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gggsgdsgsssddgdsddCCCCCCCCCC2.3.4 SPICE 中的MESFET模型2.4 异质结场效应晶体管HFET2.4.1 HFET基础 沟

10、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：iGTsaiVnq dd0expGTsbthVnnV02ithiVnq dd012ln 1exp2GTsth

11、VnnV2.4.2 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：1/max1/sssnnnn2112 /chigtesatchischisgteLgVIgRgRVV1satgtesatsLVVIRV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1/max1/gcsggssCdnCWLqdVnn12expsigcGTGTthdnCCWLqdVVV/iiiCWLddmaxsnng时，偏低的C体现宽带隙材料中的电子电荷的作用/1ccDSDSeDSsatVVVV2.4.4 SPICE

12、 HFET模型 源电荷和漏电荷：源电荷和漏电荷： 栅电荷：栅电荷： 采用采用MOSFET模型来模拟模型来模拟HFET器件和电路器件和电路 误差及产生原因误差及产生原因 dxxnLxqWQsLs10 dxxnLxqWQsLD0DsGQQQ2.5 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：thgdGDthgsGSssgVVVVWLJIexpexp2gsthgdGDgdthgsGSgsgJVVJWLVVWLJIexp21exp2qkTVdthd/qkTVsths/有效电子温度sbssgsfkTqTAJexp2*dbddgdfkTqTAJexp2*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。异维肖特基二极管 应用 应用：毫米波电子器件和高速，超低功耗集成电路新型二维金属半导体场效应晶体管 侧栅的作用 侧栅的制作工艺 共轴MESFET 窄沟效应与边缘电容