现代半导体器件讲解

2.4 异质结场效应晶体管HFET 2.4.1 HFET基础
?沟道高掺杂引起的电离杂质散射，限制电 子迁移率。
?调制掺杂晶体管：将杂质与电子分离
?高电子迁移率器件的产生：低温长沟道电 流和跨导的增强。
?HFET器件工作原理： ?二维电子气 ?阈值电压由宽带隙半导体的掺杂决定
HFET结构
?量子阱HFET的优点： ?2DEG的局域化效果好 ?电流输运能力强 ?输出电阻大 ?漏电流小 ?倒置HFET的优点： ?增加有效栅电容，增加跨导 ?易于制备高质量的欧姆接触和肖特基接触
2.1.3 材料的基本特性
?直接带隙半导体，具有优越的光电特性 ?低场电子迁移率高，寄生电阻小，器件速
度快 ?饱和速度大，短沟器件速度和工作频率高。 ?导热性差，材料和工艺成本高
2.2肖特基势垒和欧姆接触
?重要公式：
? 耗尽区空间电荷密度 ? ? qN D
? 耗尽区电场分布 ? ? ? qND ?xn ? x?
?方法2：修改MOSFET Meyer电容模型
CGS
?
?QG ?VGS
VGD
?
2 3 Cg
? ?1 ??
?
? ? ?
Vsat ? VDS 2Vsat ? VDS
2
?
?
??
? ??
CGD
?
?QG ?VGD
VGS
?
2 3
Cg
? ?1 ? ??
? ? ?
Vsat 2Vsat ?
VDS
2
?
?
??
? ??
? ? Cg ?
?阈值：
n0
?
?s? Vth
qa

?统一电荷控制模型： nsa
?
nsa nsb nsa ? nsb
饱和电流表达式
?有效栅压摆幅
Vgte
?
Vth 2
? ?1 ? ? ?
Vgt Vth
?
?
2
?
? Vgt
? ?
Vth
?
2
? 1?
?
? ? ? ?
? ?? ? ?阈值之上 Isat ?
2??
V2 gte
1 ? 2? Vgte Rs ? 1 ? 4? Vgte Rs 1 ? tcVgte
Vthd ? kTd / q 有效电子温度
?反向饱和电流：
J gsf
?
A*Ts2 exp???? ?
q? bs
kTs
????
J gdf
?
A*Td2 exp???? ?
q?bd
kTd
??? ?
2.6 新型化合物半导体FET 2.6.1 异维器件
?常见的半导体界面
?异维器件：利用不同维数的半导体区域之 间的界面形成器件。
?特点：电容比较小，载流子迁移率高，电 场比较小。
异维肖特基二极管
?应用
?应用：毫米波电子器件和高速，超低功耗 集成电路
新型二维金属半导体场效应晶体管
?侧栅的作用 ?侧栅的制作工艺
?共轴MESFET ?窄沟效应与边缘电容
?常规FET中栅极电容和 边缘寄生电容
?功率延迟积
比较常规HFET ,2DMESFET和共轴 MESFET
vs和?s ? vs / ? n
dx
dV ? Id dR ? Id qNDW ? n ??a ? h ?x???
?场效应晶体管基本方程
? ? ? ? Id
?
g0
? ??VDS
?
2 3
? ?
VDS
? Vbi
? VGS
?
3/ 2 ? Vp
Vbi ? VGS
3/ 2 ? ? ?? ? ?
? s L ? VL ?? V p Vsat ? VGT VL ?? VP Vsat ? VL
?? VGS
??? gsVth
?? ??
?
exp
?? VGD
??? gdVth
????????
Ig
?
J gs
WL 2
? ?exp ??
?? VGS
??? gsVth
?? ??
?
? 1? ? ??
WL 2
? ?J gd ??
exp
?? VGD
??? gdVth
?? ??
?
? J gs ?
??
Vths ? kTs / q
?
?
1?
?d
Ci ? 2exp ?? ?
VGT
? Vth
? ? ?
ns ? nmax时，偏低的 C'g体现宽带隙材料中的电子电荷的作用
?有效非本征源－漏电压
VDSe
?
VDS
??1＋?? ?? ?
VDS Vsat
?
?
c
?
?
?? /?c ? ??
?源电荷和漏电荷：
? Qs
?
qW L ??1? 0?
x L
I gd ? Vgs ? Vds
? ? gch
?
1?
gchi gchi R
s ? Rd
g chi
?
qnsW ? n
L
沟道电子密度
?阈值之上：
? nsa ? ND (a ? h) ? NDa ??1 ?
?
1?
Vgt Vp
? ???
?阈值以下：nsb
?
n0
exp
? Vgt
??? Vth
? ? ?
EFn ? Ec.min
??n's ?
?x?dx
? QD
?
qW
L 0
x L
n's
?x ?dx
?栅电荷： QG ? Qs ? QD
2.4.4 SPICE HFET模型
?采用MOSFET模型来模拟 HFET器件和电路 ?误差及产生原因
2.5 栅极漏电流
?非容性耦合——肖特基势垒的漏电流
Ig
?
J ss
WL 2
? ?exp
??
?sWL / a
2 1? VGT /Vp
VDS ? 0时是MESFET 的栅－沟总电容
?饱和时 CGS=2Cg/3,CGD=0
建模方法
?分析耗尽电荷的空间分布随电压的变化
?获得一组电荷守恒且各端口之间非互易的 电容。Cij ? C ji
?Meyer电容集是非完备的
?电荷守恒问题通过沟道电荷在源漏端的自 动分配得以解决。
??1 ?
( gchVds
/
I sat
)?
1/ ?
??
?体电荷影响： ?＝?0＋? Vgte ?DIBL效应： VT ? VT 0 ? ? Vds
DIBL系数
MESFET漏极电流－电压特性
? 输出电导对频率依赖，背栅和侧栅偏置，扭曲效 应，光敏效应
2.3.3 MESFET的C-V模型
?本征电荷：栅极和栅极下面耗尽层中贮存 的电荷。
? Qd ? ? q? ns
2.1.2 FET的类型
?金属－氧化物－半导体场效应晶体管（ MOSFET) ?异质结场效应晶体管（ HFET) ? MESFET （包括与 HFET 技术结合）
图2.2 HFET和沟道掺杂HFET的结构示意图
图2.3 Si,GaAs 和宽带隙半导体GaN和SiC中 电子速度与电场的依赖关系
?Qi ?V j
? ij
?
??1
? ?
1
i? j i? j
?自电容 Cii
?三端FET跨电容矩阵：
?Cgg Cgs Cgd ?
C ? ??Csg
Css
Csd
? ?
??Cdg Cds Cdd ??
?每行和每列的矩阵元之和为零 ?9个矩阵元中只有 4个是独立的
2.3.4 SPICE 中的MESFET模型
非本征饱和电压：
?
1?
Vsat
?
Vgte
?
I
'sat
? Rs ?
?
? VL
? ?
各个材料系统的跨导
HFET C-V模型
?与MOSFET的结构相似
? ? C 'g
? WLq dn 's dV gs
?
??1 ?
Cgc ns / nmax
?
1/
?
?
?
? ? Cgc ?
C i?
WLq dns dVGT
WL?i / di
Pt-Au
?在金属和GaAs之间采用窄带隙半导体层减 小势垒高度。n型：AuGe-Ni,Ag-Sn,AgInGe;p型：AuZn,Ag-In-Zn,Ag-Zn
?场发射机制模型
? Rc?1 ?
Tt
? 2W ? exp ??
p
?x ?dx
? ?
?0
?
随着隧穿路径上动量 损失的积分值增加， 隧穿概率按指数衰减
?源电荷和漏电荷：
? Qs
? qWN D
L 0
???1
?
x L
? ??
h
?x
?dx
? QD
? qWND
L x h ?x?dx
0L
?栅电荷 QG ? ? (Qs ? QD ) ?耗尽区在源漏扩展产生的附加电荷
Qse和QDe
?饱和区和阈值之下的区域，电荷模型更复 杂。
?MESFET跨电容集
Cij
?
? ij
?普适模型：对沟道电荷统一描述 ?GaAs MESFET模型修正机制 源漏串联电阻对偏压依赖 体电荷效应 平均的低场迁移率对偏压依赖 温度依赖关系 栅极漏电流
Id ? g V chi DS ? g V chi ds
? ? Vds ? VDS ? Id Rs ? Rd
Vgs ? VGS ? Id Rs
?本征电容：采用集总电容模型近似分布的 RC传输线。
?方法1：将本征电容等效为栅源电容CGS和 栅漏电容CGD.
? ? CGS ?
Cg0 1? VGS / Vbi
? ? CGD ?
Cg0
1 ? VGD / Vbi
?适用于阈值之Cg上0 ? ，W2L不q包N2VD括b?i s 耗尽区扩展产生 的电容作用。
????VVGTth
?? ?? ??
2.4.2 HFET I-V模型
?非理想情况： HFET不连续性较弱
宽带隙半导体中的感应电荷
有效电子密度：
n
' s
?
??1 ?
?ns
ns
? / nmax
?
1/
?
?
?
漏极饱和电流：
I 'sat ? 1 ? g 'chi Rs ?
g 'chi Vgte
? ?2
1 ? 2 g 'chi Rs ? Vgte / VL
?
V
sat ?
?1
? ?
VL
1 ?
VGT
?? 1 ? ?
?近源端的GCA区和近漏端的速度饱和区
b s ? a ? hs
Isat ? qN DWbsvs
?沟道饱和电流表达式
I sat
?
? VG2T
1? tcVGT
? ? ? ? 2?svsW a Vp＋2VL
?跨导参数
2.3.2 改进的MESFET I-V模型
第二章 化合物半导体场效应晶体管
高珊 2008－2009年度
2.1引言 2.1.1 FET的工作原理
? 化合物半导体在高速、高频以及高温、低温、高能辐射等 恶劣环境中的应用。
? 集成水平 ? 结构和偏置
图2.1 不同偏压时的MESFET结构示意图
?导电沟道电容电荷调制原理
? Qd ? C? Vgs C ? ?s / h
qNsd ?q?0 ? E F ?
? 电子穿越势垒的方式
热离子发射
热离子场发射
场发射 欧姆接触
基本方程
I
?
Is
? ?exp ?
? ? ?
V ? IRs
? Vth
?? ? ? 1? ??
J SS
?
A*T 2
exp
? ? ?
?
?b
Vth
? ? ?
?常用肖特基接触金属：Al,Pt-Al, W-Al,Ti-
长度
L
b? a?h
h ? 2?s ?Vbi ? VGS ?
qN D
?阈值电压：沟道电导为0时，相应的栅极偏
压
VT ? Vbi ? Vp
Vp
?
qN D a2
2?s
? ? h ? 2?s Vbi ? VGS ? V ?x?
qN D
夹断模型
?GCA的适用范围 ?x ?? ? y ?线性分段模型
d? x / dx ?? d? y / dy
J SS
?
A*T
2
exp
? ? ?
?
?b
Vth
? ? ?
?势垒高度：界面处半导体导带边与金属能级之间 的能量差。
?肖特基势垒形成的物理机制
?界面态效应 ?b ? ? m ? ? s
界面态密度很高的情况下，费米能级与中性能级 一致。
中性能级
受主 施主
图2.5 界面态的分布示意图
? qNsa ?E F ? q?0 ?
p ? 2m* ??E c ?x ?? EF ??
隧穿至x处失去的动量
? ? 2
? EF ? 2m
3? 2 ND
2/3
Rc
?
? exp ?
?
q?b
E00
? ? ?
峰值势垒的贡献
?结构
2.3GaAs MESFET 2.3.1 MESFET基础
基本电导方程
?GCA(缓变沟道近似）：
g0
?
电导率 ? 横截面积 ＝ qND ? nWa
现有2D MESFET
肖特基共振隧穿晶体管
2.6.2 宽带隙半导体FET
?FET的阈值电压与半导体能隙的关系 ?应用：非挥发性固态存储器，高温电子线
路，和发光器，探测器。 ?四个主要的材料系统： 1.金刚石 2.ZnSe和其它III-VI族化合物 3.SiC 4.GaN
制备HFET的材料系统
HFET的电荷控制模型
?阈值之上，源漏偏压较小
nsa
?
? iVGT
q ?di ? ? d ?
?阈值之下： nsb
?
n0
exp ????VVGTth
? ? ?
?阈值处：
n0
?
?i? Vth
2q ?di ? ? d ?
?统一电荷模型：
ns
?
? 2n0 ln ?1 ?
?
1 2
exp
? 耗尽区电势分布
V
?
?
qN D ??xs n ?
2? ?s
x ?2
?
? ?Vbi ?1?
?
x xn
2
? ? ?
? 耗尽层宽度
xn ?
2?s ?Vbi ? V ?
qN D
? 肖特基二极管的经验公式
I?
Is
? ?exp ?
? ? ?
V ? IRs
? Vth
? ? ?
?
? 1? ?
? 反向二极管电流密度
?阈值以下：
I sat