半导体器件物理内容和图片-第七章mesfet及相关器件

第7 MESFET及相关器MESFET（metal-semiconductorfield-effecttransistor）MOSFET相似的电流-电contact）取代了MOSFET的MOS(金属-氧化层-半导体)结构；另外，在源极（source）与漏极（drain）部分，MESFET以欧姆接触（ohmiccontact）取代MOSFET中的p-n结。MESFET与其他的场效应器件一样，在高电流时具有负的温度系数(temperature（GaAs或译作电子移动率）的化合物半导体（compoundsemiconductor）制造，因此具有比硅基MOSFET高的开关速度（switchingspeed）与截止频率（cutofffrequency。MESFET结构的基础在于金半(金属-半导体)接触，在电特性上它相当于单边突变MESFET的基本特性与微波性能。在最后的部分将与MESFET具有相同结构，但可提供更高的速度表现的调制掺杂场效应晶体管FET，MODFET欧姆性金半接触及其特定接触电阻（specialcontactMODFET及其二维电子气（twodimensionalelectronMOSFET、MESFET与MODFET 金属-半导体接1904年起，该器件即有许多不同的应用。1938年，Schottky提出其整流作用可触（ohmiccontact。在电子系统中，不论是半导体器件还是集成电路皆需利用欧姆接触和其他器件连接。下面考虑整流性和欧姆性金半接触的能带图及电流-电压特性。基本特 process)所制造的金半接触所取代。此种器件的如图6.1（a）所示。关于器造，如图6.1（b）所示。金V金半接触的一6.两项要求决定了理想的金半接触独特的能带图，如图6.2(b)所示。真空能 q(m 金 半导qVbiq(msqBnqVbiq(msqBnq(m 热平衡时金属－半导体接触的能带6.理想状况下，势垒高度qBn即为金属功函数与电子亲和力之差qBnqm

qBpEg(qm q(BnBp) 在图6.2(b)中的半导体侧，Vbi为电子由半导体导带上欲进入金属时遇到的内建电VbiBn 高，然而其依存性却没有式（1）所的那么强。这是因为在实际的肖特基二极管中，由statennn Mg TiAl Pdnn−n− MgHfTiAl Pd 势垒高度q势垒高度qBn0

金属功函数qm6.36.4n型与pn型半导6.4(a)左侧所示，能带图处于热平衡的情况下，两种材料间具有相同的费米能级。如果在金属上施以相对于n型半导体为正的电压时，则半导体到金属的由于势垒降低了VF，使得电子变得更易由半导体进入金属。而对反向偏压(亦即对金属施负偏压)而言，将使得势垒提高了VR6.4（c）左侧所示。因此对电子而言，将变得更以下的里，着重金属与n型半导体接触，不过只要适当地改变其中一些符号，结果对于p型半导体亦同样适用。n型半导 EEFEEFqq Vqq(Vbi q(Vbiq(q(VbiVRq(VbiVR图6. 不同偏压情况下，金属与n型及p型半导体接触的能带图6.5（a）与6.5（b）所示分别为金-半接触的电荷与电场分布。假设金属为完美与单边突变的pn │E（x）│＝qND(Wx)＝E-qND Em

s0W其中0WE qNWV-

x而半导体内的空间电荷密度QSC则

EWEW图6. 2qsND(Vbi2qsND(VbiV

电荷分布、(b)其中对正向偏压而言，v等于十+VF；对反向偏压而言，V等于VRC则可由式（9）qqS2(VbiV W 2(VbiV C qsN

(F/cm2 (F/cm2 2 ND d(1/C2)/dVq

S CCC基二极管所测得的电容-电压图，由式（11）12＝0CVbi已知，则势垒高度Bn便可由式（4）求得

Vbi，一【例1】求出图6.6中钨-硅肖特基二极管的施主浓度与势垒高度解1C2Vd(1/C2)6.21015(cm2/F)21.81015(cm2/F)24.41015(cm2/F

1V

V

4.4 =2.7×10152.861019VN0.0259ln2.71015因为截距Vbi为0.42V，因此势垒高度为Bn＝0.42V十W-W-WW-W-W-W-V/

图6. 钨－硅与钨－砷化镓二极管的1/C2与外加电压V的关系肖特肖特基势垒指一具有大的势垒高度(也就是n或Bn>>kT)，以及掺杂浓度比导带或导的p-n结不同。对工作在适当温度(如300K)下的肖特基二极管而言，其主要传导机制是半6.7所示为热电子发射的过程。在热平衡时[6.7（a）]，电流密度由两个大小相等、但s s ssJ J J J J ss

热平 (b)正向偏

(c)6.7热电子发射过可以通过热电子发射而进入金属中。此处，半导体的功函数qs被qBn取代，且n qBn Ncexp－ kT其中 是导带中的态密度。在热平衡时可以得JmsJsmnth 或 C

expqBn

1

kT其中Jms，代表由金属到半导体的电流，Jsm代表由半导体到金属的电流，而C1则为比当正向偏压VF加到结上时[图 qBnVFnthNc 由电子流出半导体所产生的电流Jsm也因此以同样的因数改变[图6.7(b)]。然而，由金属向半导体的电子流量维持不变，因为势垒nJJsm

CNexpqBnVFCNexp

CNexpqBnexpqVF

kT kT

kT 图被替换成-VR 系数C1NCAT．A称为有效理查逊常数(effectiveRichardsonconstant)[11032n型与p874。 qVJJsexpkT J qBn AT JSV在正向偏压的情况下为正，反向偏压时则为负。W-W-W-W-W-W-JF/(AJF/(Acm2

V/ F图6. 钨-硅与钨-砷化镓二极管的正向电流密度与外加电压关系F电流，它是由金属中的空穴注入半导体所产生。空穴的注入和第4章中所述p-n结的情况

qV JpJpo qDn其

p

LNLN 基二极管被视为单极件，亦即主要由一种载流子来主导导通的过程。度。假设硅中少数载流子 为106s，比较饱和电流Js与Jpo解由图6.8Js＝6.5×105Acm2，而势垒高度可由式（17a）1103002Bn0.0259ln6.5105V内建电势为Bn－Vn，其中 N

DVbi＝o.67V-22 2.6105DP为了计算少数载流子电流密度Jpo， 须知道Dp，对浓度ND＝1016cm3而言，其值为10cm2/s，而LP= 10106cm＝3.1103cmDPqDn 1.6101910(9.65109J P A/cm2＝4.81012A/

PN

(3.1103)JS

欧姆接被定义为欧姆接触(ohmiccontact)。良好的欧姆接触并不会严重降低器件的性能，并且当通欧姆接触的一个指标为特定接触电阻(specific JR (cm2 VVR exp（qBn）

nqBn－qV)/nqBn－qV)/2sqNDBnV2sqNDBnVC(－V)I~exp

mn其中C2等于 mnC2Bn

4m R~exp exp n Bn

N N 式（23）表示，在隧穿范围内特定接触电阻与杂质浓度强烈相关，并且以Bn/ 图6.9所示为计算所的RC与 间的关系图。当ND≥10cm时，RC以隧n型硅制成。若ND＝5×1019cm-3Bn＝0.8V，且电子的有效质量为0.26m0，求出当1A RC106cm2＝101 10540.269.11031(1.05

- C2 / =1.910

I

C2(BnV)A

0 2 V A

CC

RCC2 51019 1.951019 51019 51019 =8.13108I0当I＝1AI0 V CC2或

IV=0.8V-0.763V=0.037V=37mV因此，将有一个小到可被忽略的电压降落于此欧姆接触上。然而接触面积缩小到108cm2金半场效应晶体管器件结金属-半导体场效应晶体管(MESFET)1966年被提出。MESFET共具有三个金属-半示为MESFET的主要的器件参数包含栅极长度L、栅极宽度Z以及外延层(epitaxial1ayer)aMBSFETn型Ⅲ—V族化合物半导体制成的（如砷化镓MESFET通常在半绝缘衬底(semi-insulatingsubstrates)上生长一外延层以减少寄生电容。图6.10（a）中，欧姆接触的标示为“源极（source”与“漏极（drain统微波（microwave）或毫米波(millimeter-wave)器件而言，其栅极长度通常是在0.1μm-1.0μma1／3-1／5。而电极间距约是栅极长度LZanL(a)MESFETVGVGWaLMESFET6.工作原或是被加以反向偏压，而漏极电压为零或是被加以正向偏压。也就是说VG≤0而VD≥0nnMESFETnMESFETp沟道MESFETn沟道器件具有较高的电子迁移率。RLA

。qnNDZ(aW通。此电流大小为VD／RR为式（24）所表示的沟道电阻。因此，电流随漏极电压呈线性变化。当然，对任意漏极电压而言，沟道电压是由源的零渐增为漏的VD的平均截面积减小，沟道电阻R也因此增加，这使得电流以较缓慢的速率增加。称为饱和电压（saturationqN V，V 2 （saturationcurrent）IDsat，可流过耗尽区。这与注入载流子到双极型晶体管的集基结反向PP点的电压降维持不变。当漏极电压大于VDsat时，电流基本上维持在IDsat，且与VD无关。6.11（d）所示，VG-1V的初始电流比VG=0时的初始电流来得小。当VD增加至某一特定值时，耗尽区将接触到半绝缘衬底．此时VD值qN V 2 对n沟道MESFET而言，栅极电压相对于源极为负值，所以在式（26）以及其后的式子中，使用VG的绝对值。由式（26）可以看出，外加的栅极电压VG使得开始发生夹断时需的漏极电压减小了VG的值电流-电压特现在考虑在开始夹断前的MESFET，如图6.12（a）所示。沿着沟道的漏极电压变化如图6.12（b）所示。沟道基本片段dy两端的电压降可表示为dVIDdR

IDqnNDZ[aW(

W(nW(nW(W(naV( yyV(源 漏6.2s[V(y)2s[V(y)VGVbiIDdyqnNDZ[aW(dVqND1 IDqnNDZ(aW D

Zq2N D[a(W2W2) 2s I

VD2(VDVGVbi)3/22(VGVbi)3/2 P

Zq2N2 2s且qNaVP

s

电压VP称为夹断电压（pinch- voltage），也就是当W2=a时的总电压（VDVGVbi图6.13中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0≤VD≤ 意电流-电压特性中有着三个不同的区域。当VD比较小时，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。于是将这个工作原理区域视为线性区。当VD≥tt栅极沟道间二极管的雪崩击穿(avalnchebrakdon)开始发生，这使得漏极电流突然增加，线性线性 饱和VG−−−VGID/IDsat(VG VG/图6. VP3.2V的MESFET规一化的理想电流－电压特性区中，其VD≤VG，式(31)可以展开DD IP[1(VGVbi)1/2 DD I VI VV

＝VDVGVbi时 I[1VGVbi2(VGVbi)3/2 P

VDsatVPVG

（34 IP )VLmVLPVBVD 例如图6.13中，当VG＝0时，击穿电压为12V．若穿时的漏极电压为（VBVG11V

o.89Vn沟道浓度为21015cm3，且沟道厚度为0.6m。请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VqND

1.610192

(0.6104)2V 2 212.48.85VkTln(NC)0.026ln(4.71017)Vn

2VbiBnVn＝0.89V—至此仅考虑了耗尽（或称常通模式，normally-on）器件，也就是器件在VG0时器件则是较佳的选择。此种器件在VG0时没有导通的沟道，也就是说，栅极接触的内建MESFETMESFET而言，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（thresholdvoltage，或译作临限电压）VT，可表示为VTVbi

或VbiVT 其中VP为式（31b）中所定义的夹断电压。接近阈值电压时，饱和区的漏极(38b)的Vbi代入式（34）中，并在(VGVT)/VP≤1的假设下，利用泰勒级数展开而得。因此得到 I1(1VGVT)2[1(VGVT)]3/2 P

或Zn IDsat

(VGVT 在式（39）的推导中，使VG带负以表示其极性主要的差别在于阈值电压沿着VG轴的偏移。增强型器件[图6.14(b)]在VG＝o时并没有电导通，当VG＞VT时电流的改变则如式（39）1V，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。 dIDsatZns(VV nG nGnVGVVGVG0.1VVG0.2VVG0.3VVGVGVGVG VG 0 0耗尽型(b)增强型高频性对MESFET的高频应用而言，有一重要指标为截止频率(cutoff，frequency)fT，也MESFET无法再将输入信号放大时的频率。假设器件具有可忽略的小串联电阻，则小信号iin2fCG 据跨导的定义，可以得到小信号输出电流为m m或

ioutgm （42a I qN P s s

2其中以式（36）取代gm。由式（43）知道，欲改善高频性能，必须使用具有较高载导的。在这样的情形下，饱和沟V道电流为(A为载流子输运的面积)IDsatAqnvsZ(aW

W

vZ(1)](

mm或

D

qNDW/

式(45)中 可以由式(28)得到W/VG（45a Zvss 2ZLs Ga047InGa047In0T电子漂移速度/(cm电子漂移速度/(cm 电场/(V

图6. 不同种类半导体材料中，电子漂移速度与电场关系值速度为2×107cm／s这分别比Si的饱和速度高出了20100％。此外，Ga047In053 调制掺杂场效应晶体MODFET的基Zd0zyx调制掺杂场效应晶体管（modulation-dopedfieldeffectZd0zyxn-图6. 传统MOSFET结构TEGFET）以及选择性掺杂异质结构晶体管(selectivelydopedheterostructuretransistor，图6.16为传统MODFET的。MODFET的特征是栅极下方的异质结结构以及调x掺杂GaAs则末被掺x EEEE(b)图6.17 增强型MOSFET能带图其中d1与d0分别为无掺杂的区VP

q qNdVP ND(x)dx D s 2d1AlGaAs中掺杂区的厚度，而s为介电常数偏压。参考图6.17（b，VT所对应的情形是当GaAs表面的导带底部与费米能级 VT

q

使用不同的Bn和VP值 初调整阀值电压VT，然而，当给定一组半导体材料，EC6.17（b）具有正的VTMODFET便为增强模式（enhancement-mode）器；相反的，对耗尽型值电压VT。MOSFET反型层中的电荷Qnq(6.1节n(y)Ci[VGVTV(

dCid1

d1d0分别为AlGaAs中掺杂与无掺杂区的厚度(图6.16)，而d是沟道或反型层型层中的电子在x方向的分布，其左侧受到EC而右侧受到导带电势分布的局限[图6.17(b)]yz方向则平行于沟道的宽度(6.16)。0.85Vq

0.23V1qNd1

1.6

2

(40107解 VP 2

VV - CV0.85V0.23V2.35V MODFET，VG0,Vy0C[VVV(y)] 12.38.85 1.61019(4138)

( 0=2.291012cm电流-电压特channelapproximation)来求得．沿着沟道的任一点的电流为IZqnnEZnC[VVV(y)]dV(

s 因为电流沿着沟道为一定值，将式(50)由源极积分到漏极(y＝0到y＝L) VIC[(VV)VD n 增强模式MODFET的输出特性与图6.14(b)所示相近。性区中，亦即Vo≤(VGVT)IZC(VV n 论的夹断现象。由式(49)中，可以求得饱和电压VDsat此时nsyL)0：VDsatVG

IZC(VV)2 Zn (VV 1 n 1

d IsatZvsqnsZvsCi(VGVT

m Im

sZvs

MODFET的速度是由截止频率测量而得s s 2(ZLCC 2L P ZCi其中CP为寄生电容．要改善fT，须考虑具有较大vs，栅极长度极短的栅极结构以LLGSi截止频率f截止频率fT

2Si//1

LLG

图 GaAsMESFETfTSiMOSFET高三倍。MODFETGaAsMODFET(A1GaAs—GaAs结构)的／T约比GaAsMESFET高30％。而对伪晶的(pseudomor-phic，或译晶)SiGefT可与GaAsMODFET相比的最佳器件。SiGeMODFET相当具有 用现有的硅晶片厂去制作。至于更高的截止频率，可在InP衬底上制作Al048In052AsGa047In053AsMODFET。其优越的表现主要是由于在Ga047In053As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fT600GHz总两个欧姆接触作为源极与漏极，便可形成MESFET。此三端器件对高频应用而言相当重要尤其是单片微波集成电路(monolithicmicrowaveintegratedcircuit，MMIC)。大多的MESFET是由n型Ⅲ-V族化合物半导体所做成，因为它具有较高的电子迁移率以及较高的平均漂移速度。其中GaAs由于有相对较成技术以及可获得较高品质的GsAs衬底，所以显得特MODFET器件具有更佳的高频性能。器件结构上除了在栅极下方的异质结外，大体上fT是场效应晶体管高频表现的一个指标。对一特定长度而言，SiMOSFET(n在栅极长度为50nm时，所对应的八fT600GHz。习金属-半导体接金属的功函数为4.55eV，电子亲和力为4.01eV，且温度为300K时。T6.8所示饱和电流密度为5107Acm2fT4.01eVND31016cm3,T＝300K。计算出零偏压时的势垒高度、内建4p-n1C21.571052.12105VaCF，而VaV。若二极管面积为101cm2，计算出内建电势、势垒高度、掺杂浓度以及其功函数。计算出理想金属-硅肖特基势垒接触的Vbi与m的值。假设势全高度为ND1.51