高电子迁移率晶体管课件

1、6 高电子迁移率晶体管（HEMT）第1页，共16页。本章内容21. HEMT的基本结构和工作原理2. HEMT基本特性3.赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)4.HEMT应用领域第2页，共16页。 6.1 HEMT的基本结构和工作原理3HEMT的基本结构就是一个调制掺杂异质结 ，在图中示出了AlGaAs/GaAs异质结HEMT的结构；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） AlGaAs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HEMT的基本结构第3页，共16页。 6.1 HEMT的基本结构和工作原理4这

2、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（近似为三角形），势阱中的电子即为高迁移率的二维电子气（2-DEG），因为电子在势阱中不遭受电离杂质散射，则迁移率很高。这种2-DEG不仅迁移率很高，而且在极低温度下也不“冻结”（即不复合，因为电子与杂质中心在空间上是分隔开的），则HEMT有很好的低温性能, 可用于低温研究工作 (如分数量子Hall效应) 中。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。 第4页，共16页。 6.1 HEMT的基本结构和

3、工作原理5HMET的能带图：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第5页，共16页。 6.1 HEMT的基本结构和工作原理6对于GaAs体系的HEMT，通常其中的n-AlxGa1-xAs控制层应该是耗尽的 (厚度一般为数百nm, 掺杂浓度为 /cm3)。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( Vg=0时Schottky耗尽层

4、即延伸到i-GaAs层内部)；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。第6页，共16页。 6.1 HEMT的基本结构和工作原理7HEMT又称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET）、二维电子气场效应晶体管（2-DEGFET）、选择掺杂异质结晶体管 (SDHT)等HEMT是利用具有很高迁移率的所谓二维电子气来导电的。第7页，共16页。 6.2 HEMT的基本特性81、电荷与电压的关系:金属接触的势垒高度：所加栅压：异质结材料导带边的能量差：2DEG的费米势：控制

5、层的介电常数第8页，共16页。 6.2 HEMT的基本特性92、电流与电压的关系1.长沟道： 沟道电流为：此时，跨导为当 增加到 时, 沟道夹断, 即得到饱和电流： 此时 跨导为第9页，共16页。 6.2 HEMT的基本特性102、电流与电压的关系1、短沟道（L 1m） ：沟道电流为：电流饱和区的跨导为第10页，共16页。 6.2 HEMT的基本特性11HMET的特点：非常高的截止频率fT；非常高的工作速度；短沟道效应较小；噪声性能好 第11页，共16页。6.3赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)12PHEMT(Pseudomorphic HEMT)即赝配高电子迁移率晶体管。其主要结构特点是用

6、非掺杂的InGaAs层代替普通的HEMT中的非掺杂GaAs层作为2DEG沟道层；形成n-AlGaAs/i-InGaAs/i-GaAs的核心结构。PHEMT的基本结构以及其能带图第12页，共16页。6.3赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)13PHEMT较之常规HEMT有以下优点：InGaAs层二维电子气的电子迁移率和饱和速度皆高于GaAs，前者电子饱和漂移速度达到了7.41017cm2V-1S-1，后者为4.41017cm2V-1S-1，因此工作频率更高。InGaAs禁带宽度小于GaAs，因此增加了导带不连续性。300K时GaAs禁带宽度为1.424eV，InGaAs为0.75eV。InGaAs禁带宽度低于两侧AlGaAs和GaAs材料的禁带宽度，从而形成了量子阱，比常规HEMT对电子又多加了一个限制，有利于降低输出电导，提高功率转换效率。对InGaAs两侧调制掺杂，形成双调制掺杂PHEMT，双调制掺杂PHEMT的薄层载流子浓度是常规PHEMT的二倍，因此有非常高的电流处理能力。对于1m栅长的器件，在300K和77K下已分别达到430mA/mm和483mA/mm的水平。第13页，共16页。6.3赝配高电子迁移率晶体管(PHE