現(xiàn)代半導(dǎo)體器件第2章

1、第二章 化合物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管高珊 20082009年度2.1引言2.1.1 FET的工作原理 化合物半導(dǎo)體在高速、高頻以及高溫、低溫、高能輻射等惡劣環(huán)境中的應(yīng)用。 集成水平 結(jié)構(gòu)和偏置圖圖2.1 不同偏壓時的不同偏壓時的MESFET結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖2.1.2 FET的類型 導(dǎo)電溝道電容電荷調(diào)制原理導(dǎo)電溝道電容電荷調(diào)制原理 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET) 異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管（異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管（HFET) MESFET（包括與（包括與HFET技術(shù)結(jié)合）技術(shù)結(jié)合）dsQq n dgsQC V/sCh圖圖2.2 HFET和溝道摻雜和溝道摻雜HFET

2、的結(jié)構(gòu)示意圖的結(jié)構(gòu)示意圖圖圖2.3 Si,GaAs和寬帶隙半導(dǎo)體和寬帶隙半導(dǎo)體GaN和和SiC中中電子速度與電場的依賴關(guān)系電子速度與電場的依賴關(guān)系2.1.3 材料的基本特性 直接帶隙半導(dǎo)體，具有優(yōu)越的光電特性 低場電子遷移率高，寄生電阻小，器件速度快 飽和速度大，短溝器件速度和工作頻率高。 導(dǎo)熱性差，材料和工藝成本高2.2肖特基勢壘和歐姆接觸 重要公式： 耗盡區(qū)空間電荷密度 耗盡區(qū)電場分布 耗盡區(qū)電勢分布 耗盡層寬度 肖特基二極管的經(jīng)驗公式 反向二極管電流密度DnsqNxx DqNexp1ssthVIRIIV2sbinDVVxqN2212DnbisnqNxxxVVx *2expbSSthJA

3、TV 勢壘高度：界面處半導(dǎo)體導(dǎo)帶邊與金屬能級之間勢壘高度：界面處半導(dǎo)體導(dǎo)帶邊與金屬能級之間的能量差。的能量差。 肖特基勢壘形成的物理機制肖特基勢壘形成的物理機制 界面態(tài)效應(yīng)界面態(tài)效應(yīng) 界面態(tài)密度很高的情況下，費米能級與中性能級界面態(tài)密度很高的情況下，費米能級與中性能級一致。一致。bms圖圖2.5 界面態(tài)的分布示意圖界面態(tài)的分布示意圖受主受主施主施主中性能級中性能級0sdFqNqE0saFqNEq 電子穿越勢壘的方式熱離子發(fā)射熱離子發(fā)射熱離子場發(fā)射熱離子場發(fā)射場發(fā)射場發(fā)射歐姆接觸歐姆接觸基本方程 常用肖特基接觸金屬：Al,Pt-Al, W-Al,Ti-Pt-Au 在金屬和GaAs之間采用窄帶隙半

4、導(dǎo)體層減小勢壘高度。n型：AuGe-Ni,Ag-Sn,AgIn-Ge;p型：AuZn,Ag-In-Zn,Ag-Znexp1ssthVIRIIV*2expbSSthJA TV 場發(fā)射機制模型 102expWctRTp x dx *2FcpmExE22/3232FDENm00expbcqRE隧穿至隧穿至x處失去的動量處失去的動量隨著隧穿路徑上動量隨著隧穿路徑上動量損失的積分值增加，損失的積分值增加，隧穿概率按指數(shù)衰減隧穿概率按指數(shù)衰減峰值勢壘的貢獻峰值勢壘的貢獻2.3GaAs MESFET2.3.1 MESFET基礎(chǔ) 結(jié)構(gòu)基本電導(dǎo)方程 GCA(緩變溝道近似）： 閾值電壓：溝道電導(dǎo)為0時，相應(yīng)的柵極

5、偏壓2sbiGSDVVhqN0DnqNWagL電導(dǎo)率 橫截面積長度bah 2sbiGSDVVV xhqNTbipVVV22DpsqN aV夾斷模型 GCA的適用范圍 線性分段模型/xyddxddyxy/sssnvv和 場效應(yīng)晶體管基本方程 近源端的GCA區(qū)和近漏端的速度飽和區(qū) ddDndxdVI dRIqN Wah x3/23/2023DSbiGSbiGSdDSpVVVVVIgVV111satLGTVVVsLpsatGTLVVVVLPsatLVVVVssbahsatDssIqN Wb v 溝道飽和電流表達(dá)式 跨導(dǎo)參數(shù)21GTsatcGTVIt V22sspLv Wa VV2.3.2 改進的ME

6、SFET I-V模型 普適模型：對溝道電荷統(tǒng)一描述 GaAs MESFET模型修正機制源漏串聯(lián)電阻對偏壓依賴體電荷效應(yīng)平均的低場遷移率對偏壓依賴溫度依賴關(guān)系柵極漏電流dchiDSchidsIg Vg VgdgsdsIVVdsDSdsdVVIRRgsGSdsVVI RsnchiqnWgL1chichchisdgggRR溝道電子密度 閾值之上： 閾值以下： 閾值： 統(tǒng)一電荷控制模型：()11gtsaDDpVnNahN aV.minFncEE0expgtsbthVnnV0sthVnqa sasbsasasbn nnnn飽和電流表達(dá)式 有效柵壓擺幅 閾值之上 閾值以下： 閾值之上和閾值以下均有效的統(tǒng)一

7、飽和電流：22112gtgtthgteththVVVVVV0expgtthsatthVqn WVILV.sat asat bsatsat asat bIIIII2dsthVV2212141gtesatgtesgtescgteVIV RV Rt V線性區(qū)與飽和區(qū)電流的連續(xù) 外推公式： 體電荷影響： DIBL效應(yīng)：1/11 (/)chdsdsdchdssatg VVIg VI0gteV 0TTdsVVVDIBL系數(shù)MESFET漏極電流電壓特性 輸出電導(dǎo)對頻率依賴，背柵和側(cè)柵偏置，扭曲效應(yīng)，光敏效應(yīng)2.3.3 MESFET的C-V模型 本征電荷：柵極和柵極下面耗盡層中貯存的電荷。 本征電容：采用集總

8、電容模型近似分布的RC傳輸線。 方法1：將本征電容等效為柵源電容CGS和柵漏電容CGD. 適用于閾值之上，不包括耗盡區(qū)擴展產(chǎn)生的電容作用。 方法2：修改MOSFET Meyer電容模型01/gGSGSbiCCVV01/gGDGDbiCCVV22132GDGsatDSGSgGSsatDSVQVVCCVVV22132GSGsatGDgGDsatDSVQVCCVVV022DsgbiqNWLCV 飽和時 CGS=2Cg/3,CGD=0/2 1/sgGTpWL aCVV0DSVMESFET 時是的柵溝總電容建模方法 分析耗盡電荷的空間分布隨電壓的變化 獲得一組電荷守恒且各端口之間非互易的電容。 Meye

9、r電容集是非完備的 電荷守恒問題通過溝道電荷在源漏端的自動分配得以解決。 源電荷和漏電荷：ijjiCC 01LsDxQqWNh x dxL 0LDDxQqWNh x dxL 柵電荷 耗盡區(qū)在源漏擴展產(chǎn)生的附加電荷 飽和區(qū)和閾值之下的區(qū)域，電荷模型更復(fù)雜。 MESFET跨電容集 自電容()GsDQQQ seDeQQ和11iijijijjijQCijViiC 三端FET跨電容矩陣： 每行和每列的矩陣元之和為零 9個矩陣元中只有4個是獨立的gggsgdsgsssddgdsddCCCCCCCCCC2.3.4 SPICE 中的MESFET模型2.4 異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管HFET2.4.1 HFET基礎(chǔ) 溝

10、道高摻雜引起的電離雜質(zhì)散射，限制電子遷移率。 調(diào)制摻雜晶體管：將雜質(zhì)與電子分離 高電子遷移率器件的產(chǎn)生：低溫長溝道電流和跨導(dǎo)的增強。 HFET器件工作原理： 二維電子氣 閾值電壓由寬帶隙半導(dǎo)體的摻雜決定HFET結(jié)構(gòu) 量子阱HFET的優(yōu)點： 2DEG的局域化效果好 電流輸運能力強 輸出電阻大 漏電流小 倒置HFET的優(yōu)點： 增加有效柵電容，增加跨導(dǎo) 易于制備高質(zhì)量的歐姆接觸和肖特基接觸制備HFET的材料系統(tǒng)HFET的電荷控制模型 閾值之上，源漏偏壓較小 閾值之下： 閾值處： 統(tǒng)一電荷模型：iGTsaiVnq dd0expGTsbthVnnV02ithiVnq dd012ln 1exp2GTsth

11、VnnV2.4.2 HFET I-V模型 非理想情況： HFET不連續(xù)性較弱 寬帶隙半導(dǎo)體中的感應(yīng)電荷有效電子密度：漏極飽和電流：非本征飽和電壓：1/max1/sssnnnn2112 /chigtesatchischisgteLgVIgRgRVV1satgtesatsLVVIRV各個材料系統(tǒng)的跨導(dǎo)HFET C-V模型 與MOSFET的結(jié)構(gòu)相似 有效非本征源漏電壓1/max1/gcsggssCdnCWLqdVnn12expsigcGTGTthdnCCWLqdVVV/iiiCWLddmaxsnng時，偏低的C體現(xiàn)寬帶隙材料中的電子電荷的作用/1ccDSDSeDSsatVVVV2.4.4 SPICE

12、 HFET模型 源電荷和漏電荷：源電荷和漏電荷： 柵電荷：柵電荷： 采用采用MOSFET模型來模擬模型來模擬HFET器件和電路器件和電路 誤差及產(chǎn)生原因誤差及產(chǎn)生原因 dxxnLxqWQsLs10 dxxnLxqWQsLD0DsGQQQ2.5 柵極漏電流 非容性耦合肖特基勢壘的漏電流 反向飽和電流：thgdGDthgsGSssgVVVVWLJIexpexp2gsthgdGDgdthgsGSgsgJVVJWLVVWLJIexp21exp2qkTVdthd/qkTVsths/有效電子溫度sbssgsfkTqTAJexp2*dbddgdfkTqTAJexp2*2.6 新型化合物半導(dǎo)體FET2.6.1 異維器件 常見的半導(dǎo)體界面 異維器件：利用不同維數(shù)的半導(dǎo)體區(qū)域之間的界面形成器件。 特點：電容比較小，載流子遷移率高，電場比較小。異維肖特基二極管 應(yīng)用 應(yīng)用：毫米波電子器件和高速，超低功耗集成電路新型二維金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 側(cè)柵的作用 側(cè)柵的制作工藝 共軸MESFET 窄溝效應(yīng)與邊緣電容