現(xiàn)代半導(dǎo)體器件第2章

1、第二章 化合物半導(dǎo)體場(chǎng)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(shí)的不同偏壓時(shí)的MESFET結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖2.1.2 FET的類(lèi)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(chǎng)效應(yīng)晶體管（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET) 異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（異質(zhì)結(jié)場(chǎng)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(chǎng)的依賴(lài)關(guān)系電子速度與電場(chǎng)的依賴(lài)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(chǎng)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(shì)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(chǎng)分布 耗盡區(qū)電勢(shì)分布 耗盡層寬度 肖特基二極管的經(jīng)驗(yàn)公式 反向二極管電流密度DnsqNxx DqNexp1ssthVIRIIV2sbinDVVxqN2212DnbisnqNxxxVVx *2expbSSthJA

3、TV 勢(shì)壘高度：界面處半導(dǎo)體導(dǎo)帶邊與金屬能級(jí)之間勢(shì)壘高度：界面處半導(dǎo)體導(dǎo)帶邊與金屬能級(jí)之間的能量差。的能量差。 肖特基勢(shì)壘形成的物理機(jī)制肖特基勢(shì)壘形成的物理機(jī)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(fèi)米能級(jí)與中性能級(jí)界面態(tài)密度很高的情況下，費(fèi)米能級(jí)與中性能級(jí)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(jí)中性能級(jí)0sdFqNqE0saFqNEq 電子穿越勢(shì)壘的方式熱離子發(fā)射熱離子發(fā)射熱離子場(chǎng)發(fā)射熱離子場(chǎng)發(fā)射場(chǎng)發(fā)射場(chǎng)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(shì)壘高度。n型：AuGe-Ni,Ag-Sn,AgIn-Ge;p型：AuZn,Ag-In-Zn,Ag-Znexp1ssthVIRIIV*2expbSSthJA TV 場(chǎng)發(fā)射機(jī)制模型 102expWctRTp x dx *2FcpmExE22/3232FDENm00expbcqRE隧穿至隧穿至x處失去的動(dòng)量處失去的動(dòng)量隨著隧穿路徑上動(dòng)量隨著隧穿路徑上動(dòng)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(shì)壘的貢獻(xiàn)峰值勢(shì)壘的貢獻(xiàn)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(shí)，相應(yīng)的柵極

5、偏壓2sbiGSDVVhqN0DnqNWagL電導(dǎo)率 橫截面積長(zhǎng)度bah 2sbiGSDVVV xhqNTbipVVV22DpsqN aV夾斷模型 GCA的適用范圍 線(xiàn)性分段模型/xyddxddyxy/sssnvv和 場(chǎng)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(jìn)的ME

6、SFET I-V模型 普適模型：對(duì)溝道電荷統(tǒng)一描述 GaAs MESFET模型修正機(jī)制源漏串聯(lián)電阻對(duì)偏壓依賴(lài)體電荷效應(yīng)平均的低場(chǎng)遷移率對(duì)偏壓依賴(lài)溫度依賴(lài)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(xiàn)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(duì)頻率依賴(lài)，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(xiàn)。 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(kuò)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(shí) CGS=2Cg/3,CGD=0/2 1/sgGTpWL aCVV0DSVMESFET 時(shí)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(wèn)題通過(guò)溝道電荷在源漏端的自動(dòng)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(kuò)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(gè)矩陣元中只有4個(gè)是獨(dú)立的gggsgdsgsssddgdsddCCCCCCCCCC2.3.4 SPICE 中的MESFET模型2.4 異質(zhì)結(jié)場(chǎng)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(zhǎng)溝道電流和跨導(dǎo)的增強(qiáng)。 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(diǎn)： 2DEG的局域化效果好 電流輸運(yùn)能力強(qiáng) 輸出電阻大 漏電流小 倒置HFET的優(yōu)點(diǎn)： 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(gè)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(shí)，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(lái)模擬模型來(lái)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(shì)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(jiàn)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(diǎn)：電容比較小，載流子遷移率高，電場(chǎng)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(chǎng)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