半导体器件物理三章

真实的真实的MESFET典型结实际的GaAsMESFET是在半绝缘GaAs衬底上由离子•在正常工作条件下，栅•在正常工作条件下，栅压VGS应小于肖特基正向导通电压，以避免明显的栅极漏电流，对MESFET，VGS的最高限约为+0.7V•与JFET相比，MESFET在工艺和制作方面有某优点，例如，金属半导体肖特基势垒在低温下形成，因而可以采用G这样电子迁移率高和饱和速度大的化合物半导体材料，而得到开关速度快使用频率高的器件•n沟MESFET是目前常见的器件，在微波高速数字电路方面有许多重要应用夹断电压和阈值电n－GaAs层均匀掺杂，肖特基结的耗尽层厚度夹断电压和阈值电n－GaAs层均匀掺杂，肖特基结的耗尽层厚度为•h(y)VV(ySD p0源端处V(y=0)=0VT=Vbi-VT阈值电饱和电压饱和电压器件导通时，随着VDS的增加，漏端沟道厚度逐渐减薄，当漏端耗尽区与衬底接触时，称为漏端夹断••称对应的源漏电压饱和电压，记为Vp电流电压特•电流电压特•恒定迁移率模沟道y处的电流密度为J(y)qNDn(y)(y)dV(–μndV[ah(IDnZ[a-h(y)]为沟道截面dV[ah(IDnZ[a-h(y)]为沟道截面h(y)为y处耗尽层厚IDSdyqNDn[ah(由h(y)VV(ySDqND可h(q2Nn[aIDSdy对上式积h(y)]h(y)dhDSZ22DqN2q2Nn[aIDSdy对上式积h(y)]h(y)dhDSZ22DqN2h2)(h3h3n[a(h2I2121L3S2 (VbiVDShSqND)1D2Ip[)3/)2Ip[)3/)3/2I3VVppp其aq2N2a3DVnDIppLSS电流电流电压特•线性VbiqnNDZa[1I[1)1/2)1/2I(VVLVppp•线性VbiqnNDZa[1I[1)1/2)1/2I(VVLVppp漏电导（沟道电导）为gDqnNDZa[1(VbiVGS)1/2]qnNDZ(agDLVLp（-h跨导为gmZqNDI ([m L)p饱和•VpVbi[132饱和•VpVbi[132(Vbi)3/2IpVVpp理想情况下，IDsat不是VDS的函数，gD＝0，实际上，随VDS的跨导为qnNDZa[1VGS)1/2]qnNDZ(aIgmLVLpFET沟道长FET沟道长度减小沿沟道的电场增落在该偶极层上•••假定沟道电子以恒定的有效饱和漂移速度vS运••假定沟道电子以恒定的有效饱和漂移速度vS运•饱和电(ah) )1/2IDDVpqND]1/Sgm)MESFET的MESFET的频率特MESFET的频率特输入电流•~~ii2f(CMESFET的频率特输入电流•~~ii2f(CGSCGD输出电流•~~ –其中G＝CG＋CGD，CG是栅源之间的结电容，CGD是栅漏之间的结电容。•截止频率为两者相等时频 mf~~ TG•设栅沟道二极管的平均耗尽层厚度为a/2，则2LZ电容CGa/a••设栅沟道二极管的平均耗尽层厚度为a/2，则2LZ电容CGa/a•根据定gCmGGG•有渡越CG1•从渡越长沟器件，源漏电场较低情形(线性区Lgg渡越长沟器件，源漏电场较低情形(线性区Lggn0L为栅长，μ为恒定的低场迁移率，VD为外加漏源电压。短沟器件，高电场下载流子速度饱和 1fSv2TSgMESFETq2N2a3nDIpLSMESFETq2N2a3nDIpLS长沟，低源漏21gf TS短沟，速度饱MESFET适于使用具有高载流子迁移率的硅、硅、GaAs及一些宽禁带半导的材料特GaAs载GaAs载流子漂移速度与电场关高电高电子迁移率晶体HeterojunctionandHeterojunctionandBandtransistor(HEMT)器件结构及器件结构及特•n沟道HEMT的基本结n沟道AlGaAs/GaAsHEMT的基结构和能带2DEGn沟道AlGaAs/GaAsHEMT的基结构和能带2DEGElectronGasAlGaAs/GaAsHEMT中的n+barrierlayer(e.g.AlxGa1-xUndopedchannellayer(e.g.GaAs)S.I.substrate(e.g.GaAs)AlGaAs/GaAs中2DEG的形ECAlGaAs/GaAs中2DEG的形ECEVEFV•2DEG与电离杂质原子在空间上高的载流子迁移异质结构2DEGs的特HeterojunctionnS,cm-EG,异质结构2DEGs的特HeterojunctionnS,cm-EG,EC,1.4x2.2x103.0x11.3x•AlGaAs层的厚度•AlGaAs层的厚度和掺杂浓度决定器件的阈值电压，正常情形下应使之完全耗尽如果AlGaAs层较厚或掺杂较高，则栅压为零时，异质结界面处GaAs表面的电子势阱内已•••2DEG费米势与浓度的关2DEG费米势与浓度的关sqq0.125x10-6Vcm- (x)xdx) (qdGDqq22ΦBn是金属接触的 (x)xdx) (qdGDqq22ΦBn是金属接触的势垒高度VG是栅压，ΔEC是异质结材料导带边的能量差EF/q是2DEG的费米势。ε2是控制层GaAs材料的介电常数括号内表示的是控制层上的 SdTEF dod2qTqq2DEG•HEMT源漏加电压VDS时，2DEG成为导电沟道，采用与MESFET相同的•HEMT源漏加电压VDS时，2DEG成为导电沟道，采用与MESFET相同的坐标定qN(y)V(STd或qN(y)V(SSdNS0是源端的电荷浓度HEMT电流和电压的关长沟道器件,沟道电流为•IHEMT电流和电压的关长沟道器件,沟道电流为•I (y)(y)STd•积分得2V VTI2 DSLd2•VDS增加到VDsat＝VGS-VT，qNS(L)=0，即沟在漏端夹断，电流达到饱和•VDS增加到VDsat＝VGS-VT，qNS(L)=0，即沟在漏端夹断，电流达到饱和,饱和电流2)2IT2(dd)L•短沟道器件，L~1μm，强电场下电子以饱速度vSL运动，漏极电流为vZSL2Iv)STd器件的跨非饱和时，器件的跨导•gVm器件的跨非饱和时，器件的跨导•gVmLd饱和•Z2)g长沟道mT(ddZ2g短沟道器dmgm•截止频fTG其中CG是器件本征部分的栅电容。考虑有效负载电容gmf2TC11)gm•截止频fTG其中CG是器件本征部分的栅电容。考虑有效负载电