半导体量子器件物理讲座 第二讲 高电子迁移率晶体管(HEMT)
HEMT高电子迁移率晶体管
HEMT⾼电⼦迁移率晶体管第五章⾼电⼦迁移率晶体管5.1 HEMT的基本结构和⼯作原理5.2 HEMT基本特性5.3 赝⾼电⼦迁移率晶体管5.1 HEMT的基本结构和⼯作原理⾼电⼦迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor ，HEMT），也称为2－DEG场效应晶体管；因⽤的是调制掺杂的材料，所以⼜称为调制掺杂场效应管。
1978年R.Dingle ⾸次在MBE（分⼦束外延）⽣长的调制掺杂GaAs/AlGaAs超晶格中观察到了相当⾼的电⼦迁移率。
1980年⽇本富⼠通公司的三村研制出了HEMT，上世纪80年代HEMT成功的应⽤于微波低噪声放⼤，并在⾼速数字IC⽅⾯取得了明显得进展。
传讯速度的关键在于电⼦移动速率快慢，HEMT中的电⼦迁移率很⾼，因此器件的跨导⼤、截⽌频率⾼、噪声低、开关速度快。
2作为低噪声应⽤的HEMT已经历了三代变化，低噪声性能⼀代⽐⼀代优异：第⼀代：AlGaAs/GaAs HEMT，12GHz下，NF为0.3dB，增益为16.7dB。
第⼆代：AlGaAs/InGaAs/GaAs HEMT (PHEMT赝⾼电⼦迁移率晶体管)，40GHz下，NF为1.1dB；60GHz下，NF为1.6dB；94GHz下，NF为2.1dB。
第三代：InP基HEMT，40GHz下，NF为0.55dB；60GHz下，NF为0.8dB；95GHz下，NF为1.3dB。
AlGaAs/GaAs HEMT的基本结构制作⼯序：在半绝缘GaAs衬底上⽣长GaAs缓冲层（约0.5µm）→⾼纯GaAs层（约60nm）→n型AlGaAs层（约60nm）→n型GaAs层（厚约50nm）→台⾯腐蚀隔离有源区→制作Au/Ge合⾦的源、漏欧姆接触电极→⼲法选择腐蚀去除栅极位置n型GaAs层→淀积Ti/Pt/Au栅电极。
图5-1 GaAs HEMT基本结构HEMT是通过栅极下⾯的肖特基势垒来控制GaAs/AlGaAs异质结中的2－DEG的浓度实现控制电流的。
pgan hemt原理
pgan hemt原理
PGAN HEMT（Pseudomorphic High-Electron-Mobility Transistor）是一种半导体器件，属于高电子迁移率场效应晶体管（HEMT）的一种。
PGAN HEMT是一种异质结构的器件，通常在GaAs材料上实现。
以下是PGAN HEMT的基本原理：
1. 异质结构： PGAN HEMT的核心特点是其异质结构。
它通常由GaAs（镓砷化物）材料构成，其中包括镓铝氮化镓（GaN/AlGaN）异质结。
这种异质结构在晶体中引入了一个电子气层，提供了较高的电子迁移率。
2. 电子气层：在GaN/AlGaN异质结构中，AlGaN层的带隙较大，而GaN层的带隙较小。
在这两层之间形成了一个电子气层，其中电子迁移率较高。
这使得PGAN HEMT在高频应用中表现出色。
3. 电子输运：电子在GaN层内运输，而AlGaN层则在电子的输运方向上形成势垒，形成电子气层。
这种结构有助于提高电子的迁移率和载流子浓度，提高器件的性能。
4. 高电子迁移率：由于电子气层的存在，PGAN HEMT具有比传统HEMT更高的电子迁移率。
高电子迁移率有助于提高器件的频率响应和工作速度。
5. 应用： PGAN HEMT广泛用于射频（RF）和微波应用，如通信设备、雷达系统等。
由于其高电子迁移率和良好的高频特性，PGAN HEMT在这些领域中能够提供卓越的性能。
需要注意的是，PGAN HEMT的设计和制造可能涉及到复杂的材料工程和微纳米加工技术。
对于详细的电子输运、能带结构等具体原理，更深入的了解可能需要深入研究相关文献或专业领域的教材。
hemt双层栅介质阈值电压
hemt双层栅介质阈值电压Hemt双层栅介质阈值电压是指高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）中双层栅介质的阈值电压。
HEMT是一种半导体器件，由两层半导体材料（通常是GaAs和AlGaAs）组成。
其中，双层栅介质是指在HEMT的栅极和沟道之间的绝缘层，用于控制沟道中的电子流。
双层栅介质的阈值电压是指施加在栅极上的电压，使得沟道中的电子开始流动的电压。
在HEMT中，双层栅介质通常由氧化物（如Al2O3）和氮化物（如GaN）组成。
这种双层结构可以提高器件的性能，如降低漏电流和增加迁移率。
在HEMT中，双层栅介质的阈值电压可以通过不同的方法进行调控。
一种常用的方法是改变栅极材料的厚度或组分，以改变栅极与沟道之间的电场强度。
另一种方法是通过改变栅极材料的处理条件，如温度和气氛，来调控栅极材料的性质。
研究表明，双层栅介质的阈值电压对HEMT的性能有重要影响。
较低的阈值电压可以提高器件的开关速度和增益，而较高的阈值电压可以降低漏电流和改善器件的稳定性。
因此，精确调控双层栅介质的阈值电压对于HEMT的设计和优化非常重要。
目前，研究人员已经提出了许多方法来实现对双层栅介质阈值电压的精确调控。
例如，可以使用原子层沉积技术来制备双层栅介质，以实现原子级的控制。
此外，还可以通过改变栅极材料的组分和结构，如引入掺杂或控制晶格应变，来调控阈值电压。
总之，双层栅介质阈值电压是HEMT中一个重要的参数，对器件性能有重要影响。
研究人员正在不断探索新的方法和技术，以实现对双层栅介质阈值电压的精确调控，以进一步改进HEMT的性能和应用。
《AlGaN-GaNMOS(MIS)HEMT中电子迁移率及Ⅰ-Ⅴ输出特性》范文
《AlGaN-GaN MOS(MIS)HEMT中电子迁移率及Ⅰ-Ⅴ输出特性》篇一AlGaN-GaN MOS(MIS)HEMT中电子迁移率及Ⅰ-Ⅴ输出特性一、引言随着半导体技术的不断发展，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）已成为射频和微波电路的重要元件。
在HEMT器件中，电子迁移率以及电流-电压（I-V）输出特性是评估其性能的关键参数。
本文将重点研究AlGaN/GaN金属绝缘体半导体高电子迁移率晶体管（MIS-HEMT）的电子迁移率及其I-V输出特性，以期为相关研究与应用提供理论支持。
二、AlGaN/GaN MIS-HEMT结构与工作原理AlGaN/GaN MIS-HEMT是一种利用二维电子气（2DEG）工作的晶体管，其结构主要由AlGaN/GaN层、栅极绝缘层以及源漏电极等部分组成。
在电场作用下，AlGaN/GaN界面处产生2DEG，从而形成导电通道，实现电流的传输。
三、电子迁移率的研究电子迁移率是衡量半导体材料中电子运动能力的重要参数，直接影响着器件的导电性能。
在AlGaN/GaN MIS-HEMT中，电子迁移率受到材料质量、界面态密度、温度等多种因素的影响。
首先，材料质量对电子迁移率的影响至关重要。
高质量的AlGaN/GaN材料具有较低的缺陷密度和较高的载流子浓度，从而使得电子迁移率得以提高。
其次，界面态密度也会对电子迁移率产生影响。
界面处存在过多的陷阱态会散射电子，降低其迁移率。
此外，温度也是影响电子迁移率的重要因素。
随着温度的升高，电子的热运动加剧，使得迁移率降低。
四、I-V输出特性的研究I-V输出特性是描述器件电流与电压关系的曲线，反映了器件的导电性能和稳定性。
在AlGaN/GaN MIS-HEMT中，I-V输出特性受到栅极电压、源漏电压以及器件结构等因素的影响。
首先，栅极电压对I-V输出特性具有显著影响。
当栅极电压增大时，2DEG的密度增加，导致电流增大。
其次，源漏电压的变化也会引起I-V特性的变化。
HEMT高电子迁移率晶体管
第五章高电子迁移率晶体管5.1 HEMT的基本结构和工作原理5.2 HEMT基本特性5.3 赝高电子迁移率晶体管5.1 HEMT的基本结构和工作原理高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor ，HEMT），也称为2－DEG场效应晶体管；因用的是调制掺杂的材料，所以又称为调制掺杂场效应管。
1978年R.Dingle 首次在MBE（分子束外延）生长的调制掺杂GaAs/AlGaAs超晶格中观察到了相当高的电子迁移率。
1980年日本富士通公司的三村研制出了HEMT，上世纪80年代HEMT成功的应用于微波低噪声放大，并在高速数字IC方面取得了明显得进展。
传讯速度的关键在于电子移动速率快慢，HEMT中的电子迁移率很高，因此器件的跨导大、截止频率高、噪声低、开关速度快。
表5-1 几种场效应晶体管中电子迁移率对比(单位：cm2/V.s)器件300K 77KHEMT 8000 54000GaAs MESFET 4800 6200Si MESFET 630 1500作为低噪声应用的HEMT已经历了三代变化，低噪声性能一代比一代优异：第一代：AlGaAs/GaAs HEMT，12GHz下，NF为0.3dB，增益为16.7dB。
第二代：AlGaAs/InGaAs/GaAs HEMT (PHEMT赝高电子迁移率晶体管)，40GHz下，NF为1.1dB；60GHz下，NF为1.6dB；94GHz下，NF为2.1dB。
第三代：InP基HEMT，40GHz下，NF为0.55dB；60GHz下，NF为0.8dB；95GHz下，NF为1.3dB。
AlGaAs/GaAs HEMT的基本结构制作工序：在半绝缘GaAs衬底上生长GaAs缓冲层（约0.5μm）→高纯GaAs层（约60nm）→n型AlGaAs层（约60nm）→n型GaAs层（厚约50nm）→台面腐蚀隔离有源区→制作Au/Ge合金的源、漏欧姆接触电极→干法选择腐蚀去除栅极位置n型GaAs层→淀积Ti/Pt/Au栅电极。
高电子迁移率晶体管（HEMT）
高电子迁移率晶体管（HEMT）高电子迁移率晶体管（HEMT，High Electron Mobility Transistor）：HEMT是一种异质结场效应晶体管（HFET），又称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET）、二维电子气场效应晶体管（2-DEGFET）、选择掺杂异质结晶体管(SDHT)等。
这种器件及其集成电路都能够工作于超高频（毫米波）、超高速领域，原因就在于它采用了异质结及其中的具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的。
上世纪70年代采用MBE 和MOCVD就制备出了异质结。
1978年Dingle等首先证实了在AlGaAs/GaAs调制掺杂异质结中存在高迁移率二维电子气；然后于1980年，Mimura等、以及Delagebeaudeuf等研制出了HEMT。
从此HEMT就很快地发展起来了，有可能在高速电路领域内替代MESFET。
HEMT的原理结构和能带图（1）FET-IC实现超高频、超高速的困难（提高载流子迁移率的重要性）因为一般的场效应集成电路为了达到超高频、超高速，必须要减短信号传输的延迟时间τd ∝ CL/(μnVm)和减小器件的开关能量(使IC 不致因发热而损坏)E = ( Pd τd )≈CLVm2/2，而这些要求在对逻辑电压摆幅Vm的选取上是矛盾的，因此难以实现超高频、超高速。
解决此矛盾的一个办法就是，首先适当降低逻辑电压摆幅, 以适应IC稳定工作的需要，而要缩短τd 则主要是着眼于提高电子的迁移率μn，这就发展出了HEMT。
（2）HEMT的工作原理：HEMT的基本结构就是一个调制掺杂异质结。
在图中示出了AlGaAs/GaAs异质结HEMT的结构和相应的能带图；在宽禁带的AlGaAs层（控制层）中掺有施主杂质，在窄禁带的GaAs层（沟道层）中不掺杂（即为本征层）。
这里AlGaAs/GaAs就是一个调制掺杂异质结，在其界面、本征半导体一边处，就构成一个电子势阱（近似为三角形），势阱中的电子即为高迁移率的二维电子气（2-DEG），因为电子在势阱中不遭受电离杂质散射，则迁移率很高。
半导体器件物理专题 -HEMT ppt课件
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二.两种体系的HEMT
以 GaAs 或者 GaN 制备的高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistors）以及赝配高电子迁移率晶体 管（Pseudo orphic HEMT）被普遍认为是最有发展前途的 高速电子器件之一。由于此类器件所具有超高速、低功 耗、低噪声的特点(尤其在低温下)，极大地满足超高速计 算机及信号处理、卫星通信等用途上的特殊需求，故而
图3 GaN HEMT 基本结构
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1.GaAs体系HEMT
PHEMT较之常规HEMT的优点：
(1)InGaAs层二维电子气的电子迁移率和饱和速度皆 高于 GaAs，前者电子饱和漂移速度达到了 7.4×1017cm2V-1S-1，后者为4.4×1017cm2V-1S-1，因 此工作频率更高。
则不受电离杂质散射的影响， 所以迁移率很高。
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1.GaAs体系HEMT
在低温下HEMT的特性将发生退化，主要是由于nAlGaAs层存在一种所谓DX中心的陷阱，它能俘获和放出 电子，使得2-DEG浓度随温度而改变，导致阈值电压不 稳定。实验表明：对掺硅的AlxGa1－xAs，当x<0.2基本不 产生DX中心，反之则会出现高浓度的DX中心。对于 HEMT中的n－AlGaAs层，为了得到较高的能带突变通常 取x=0.3，必然会有DX中心的影响。 为了解决这个问题，1985年Maselink采用非掺杂的 InGaAs代替非掺杂的GaAs作为2－DEG的沟道材料制成 了赝高电子迁移率晶体管PHEMT。
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2.GaN体系HEMT
HEMT是通过栅极下面的肖特基(Schottky)势垒来控制 AlGaN／GaN异质结中的2DEG的浓度而实现对电流的 控制。栅极下面的以型A1GaN层，由于Schottky势垒 的作用和电子向未掺杂GaN层转移，将全部耗尽。转 移到未掺杂GaN层去的电子即在异质结界面处三角形 势阱中形成2DEG；这些2DEG与处在AlGaN层中的杂质 中心在空问上是分离的，不受电离杂质的影响，从而 迁移率很高。
半导体器件物理专题 -HEMT综述
2.GaN体系HEMT
HEMT的关键是掺杂层和沟道层问的异质结。传统的GaAs或 InP基HEMT，掺杂层是n型掺杂，施主是2DEG的主要来源。 异质结处存在导带差，驱使电子从掺杂层进入到沟道层，并 将电子限制在沟道层内距异质结处几纳米范围内，形成2DEG。 高2DEG而密度是HEMT设计的目标。在GaN基HEMT中，除去 导带差异因素外，AIGaN和GaN的极化效应也能生成2DEG。 2DEG中的电子有三个主要来源：(1)从掺杂AIGaN层转移的电 子；(2)GaN沟道层巾杂质的贡献；(3)由极化效应诱生的上述 来源的电子。AIGaN／GaN界面处2DEG的面电子密度既取决 于导带不连续程度和异质结构的人为掺杂，又受到压电和自 发极化效应的影响。
二.两种体系的HEMT
以 GaAs 或者 GaN 制备的高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistors）以及赝配高电子迁移率晶体 管（Pseudo orphic HEMT）被普遍认为是最有发展前途的 高速电子器件之一。由于此类器件所具有超高速、低功 耗、低噪声的特点(尤其在低温下)，极大地满足超高速计 算机及信号处理、卫星通信等用途上的特殊需求，故而 HEMT 器件受到广泛的重视。作为新一代微波及毫米波器 件,HEMT 器件无论是在频率、增益还是在效率方面都表 现出无与伦比的优势. 经过 10 多年的发展,HEMT 已经具 备了优异的微波、毫米波特性,已成为 2～100 GHz 的卫星 通信、射电天文、电子战等领域中的微波毫米波低噪声 放大器的主要器件。同时他也是用来制作微波混频器、 振荡器和宽带行波放大器的核心部件。
1.GaAs体系HEMT
InGaAs层厚度约为20nm，能吸 收由于GaAs和InGaAs之间的晶 格失配（约为1％）而产生的应 力，在此应力作用下，InGaAs 的晶格将被压缩，使其晶格常 数大致与GaAs与AlGaAs的相匹 配，成为赝晶层。因为InGaAs 薄层是一层赝晶层且在HEMT中 起着 i –GaAs层的作用，所以成 为“赝”层，这种HEMT也就相 应地成为赝HEMT。
hemt 指标
hemt 指标
HEMT（High Electron Mobility Transistor，高电子饱和迁移率晶体管）的指标主要包括以下几个方面：
1. 最大漏极电流（Idmax）：指HEMT能承受的最大漏极电流。
大的Idmax意味着HEMT能够提供更大的功率。
2. 饱和漏极导通电压（Vdsat）：指HEMT在饱和区漏极-源极电压。
较低的Vdsat表示更低的功耗和更高的效率。
3. 阈值电压（Vth）：指HEMT的门极电压，用于控制漏极电流。
较低的Vth意味着HEMT可以在更低的门极电压下工作。
4. 迁移率（µ）：指电荷在半导体中的移动速率。
高的迁移率意味着HEMT可以提供更好的高频性能和更快的开关速度。
此外，GaN HEMT器件性能的评估，一般包含静态参数测试（I-V 测试）、频率特性（小信号S参数测试）、功率特性（Load-Pull测试）。
静态参数，也被称作直流参数，是用来评估半导体器件性能的基础测试，也是器件使用的重要依据。
以阈值电压Vgs(th)为例，其值的大小对研发人员设计器件的驱动电路具有重要的指导意义。
InP基高电子迁移率晶体管
2014-01-05
主要内容
半导体发光材料的发光机理简介 半导体材料的分类
半导体材料的制备工艺简介
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发展背景
• 随着社会的发展和技术的进步,宽带通信、高精度雷达和航空遥感等军民用领域对 高频系统需求越来越迫切。
凭借优良的频率特性,III-V族化合物半导体器件和相关高频、高速电路正日 益成为毫米波系统核心部件,成为大家竞相研究的焦点。在众多的III-V族化合物 半导体器件中,磷化铟(InP)基高电子迁移率晶体管(HEMT)具有电子迁移率 高、噪声低、功耗低及增益高等特点,在高速、高频等应用领域占据了重要的地 位。虽然目前InP HEMT还受到材料昂贵且易碎等方面的制约,但是凭借优异的高 频特性和低噪声性能,被公认为是实现超高速低噪声、功率放大电路的最佳选择, 拥有非常广阔的应用前景。因此,无论是满足军事国防需求还是提高我国在未来 信息市场的竞争力,我们必须首先独立研发高频InP HEMT器件。
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• 对于HEMT材料的器件研究，提高2DEG浓度和迁移率是至关重要。2DEG的 浓度主要受异质结材料导带偏移量ΔEc和杂质掺杂浓度以及电子转移效率的 影响。在材料一定的前提下，ΔEc就确定了,而过大的掺杂浓度必然导致平行 电导的出现。电子转移效率主要受势垒层及隔离层厚度影响并已经得到了系 统的研究。量子阱宽度对量子阱中电子在不同能级之间的分布以及对材料宏 观的2DEG浓度和迁移率的影响对于进一步优化InP基HEMT器件极为重要， 可是至今还缺乏这方面系统的实验研究。
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国外 4 英寸 InP 基器件工艺线已成熟并达到制造商业产品的水准,而我国 InP基材料、 器件和电路研究起步较晚,至今没有一条专门的 InP 工艺线,无论是器件还是电路性能 和国外先进水平相比都存在很大的差距。InP 毫米波技术的缺失,直接制约着我国武 器装备的发展。不过近年来随着国家的重视和知识创新体系的建立,经过广大科研工 作者的共同努力,该领域研究也取得了长足的进步。
HEMT介绍
二、HEMT的发展历史
1980年，日本富士通公司的三村研制出了HEMT， 是一种调制掺杂GaAs/n-AlxGa1-xAs异质结构场效应管；
1985年，T.W.Waselink提出InGaAs沟道HEMT，即 PHEMT（赝配高电子迁移率晶体管）；
1993年，第一只GaN基HEMT问世；
进入21世纪后，GaN基HEMT的材料结构以 AlGaN/GaN异质结为主。
反型层中的电子在垂直于层面方向被限制在一个小于100的尺度内运动而在平行于层面方向可以自由地运反型层中的2deg结构三二维电子气2deg的能量状态垂直于表面z方向势阱宽度很小能量发生量子化平行于表面xy方向电子运动几乎是自由的则反型层中的2deg结构三二维电子气2deg的能量状态反型层中的电子受z方向量子效应的影响电子浓度的分布随离开表面的距离而增加然后又减小
❖ 高击穿电场：高击穿电场意味着材料能工作于更高电压，从而提高 输出功率。GaN 击穿电场远高于 GaAs 和 Si，其可以满足更高的功 率要求。
❖ 电子饱和速度高：电子饱和速度高意味着高开关性能和强电流处理 能力，高频性能优异。
❖ 热导率高：良好的导热性有利于散热，保证器件稳定工作。
一、GaN材料
2DEG电子迁移率与隔离层厚度d 的理论计算曲线
三、GaAs体系HEMT的重要参数
3、2DEG浓度Ns： 随着隔离层厚度的增加，
2DEG浓度Ns减小。对于相 同的隔离层厚度，Ns的大小 与Al组分x相关，可看到当 x=0.4时，Ns最小。 x=0.3~0.35时，Ns最高。这 个结果与实验规律是一致的。
GaN基器件的优点：
二、GaN基HEMT
截面图
实物图
二、GaN基HEMT
因GaN材料的独特性能, AlGaN/GaN HEMT 显露出优良的 器件特性,使其在大功率、高频率领域具有广阔的应用前景。 有别于AlGaAs/GaAs，GaN基异质结结构的最主要特点是 极化效应。 当没有外加电场时，总极化场为 Ptot=PSP+PPE
半导体器件物理专题HEMT
HEMT是通过栅极下面的肖特基Schottky势垒来控制AlGaN／GaN异质结中的2DEG的浓度而实现对电流的控制栅极下面的以型A1GaN层由于Schottky势垒的作用和电子向未掺杂GaN层转移将全部耗尽转移到未掺杂GaN层去的电子即在异质结界面处三角形势阱中形成2DEG；这些2DEG与处在AlGaN层中的杂质中心在空问上是分离的不受电离杂质的影响从而迁移率很高
1.GaAs体系HEMT
图3 GaN HEMT 基本结构
1.GaAs体系HEMT
PHEMT较之常规HEMT的优点：
1InGaAs层二维电子气的电子迁移率和饱和速度皆高于 GaAs前者电子饱和漂移速度达到了7.4×1017cm2V-1S-1后者为4.4×1017cm2V-1S-1因此工作频率更高 2InGaAs禁带宽度小于GaAs因此增加了导带不连续性300K时GaAs禁带宽度为1.424eVInGaAs为0.75eV 3InGaAs禁带宽度低于两侧AlGaAs和GaAs材料的禁带宽度从而形成了量子阱比常规HEMT对电子又多加了一个限制有利于降低输出电导提高功率转换效率
2.直播卫星 Direct broadcast satellite
三.HEMT的应用
3.其他应用
微波低噪声放大 高速数字集成电路 高速静态随机存储器 低温电路 功率放大 微波震荡 毫米波电路毫米波通信 精确制导
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位于美国新墨西哥州的综合孔径射电望远镜甚大天线阵
三.HEMT的应用
Direct broadcast satellite DBS is a term used to refer to satellite television broadcasts intended for home reception. A designation broader than DBS would be direct-to-home signals or DTH. This has initially distinguished the transmissions directly intended for home viewers from cable television distribution services that sometimes carried on the same satellite. The term DTH predates DBS and is often used in reference to services carried by lower power satellites which required larger dishes 1.7m diameter or greater for reception.
hemt 原理
hemt 原理HEMT是High Electron Mobility Transistor的缩写，是一种能够在高频率下工作的场效应晶体管。
HEMT采用量子阱技术，具有高载流子迁移率和低制造成本等优势。
HEMT原理可以简单地分解为以下几个步骤：第一步：在衬底上制造氧化硅层。
这一步是为了保护衬底，并且可以增加绝缘层的厚度，从而降低漏电流。
氧化硅层通常在真空中化学气相沉积法（LPCVD）中制造。
第二步：通过分子束外延（MBE）或金属有机分解（MOCVD）在上面生长出氮化铝层。
这一步是为了制造氮化物，氮化物在HEMT器件中起着重要的作用。
氮化铝层通常在真空中MOCVD法中制造。
可以采用分子束外延来生长氮化物，但是MOCVD法更具成本效益。
第三步：制造缓冲层。
在氮化铝层上生长缓冲层是必要的，以使HEMT器件能够运行。
缓冲层可以是铝镓砷（AlGaAs）或铝镓氮（AlGaN）的混合物，或是高品质的氮化铝。
缓冲层通过MBE或MOCVD法生长。
第四步：在缓冲层上生长量子阱。
量子阱是HEMT器件的重要组成部分。
量子阱是由两个具有不同能带的材料夹在一起而形成的。
电子在该结构中无法自由移动，只能在其中被限制。
通过限制电子的运动，可以消除漏电流和其他不必要的问题。
量子阱通常是由铝镓氮和氮化铝材料组成，通过MBE法制造。
第五步：生长栅极层。
栅极层是HEMT器件的管脚之一，用于控制电荷流。
栅极层通常是铝镓砷材料，通过MBE法生长。
第六步：作为通道层的生长材料。
这一层是HEMT器件的重要组成部分。
该材料通常是两种材料，铝镓砷和氮化铝之间的合金，可以增加载流子迁移率和运输性能。
最后一步：生长源和漏极。
这两个区域由掺杂的铝霍尔电极组成，用于提供计算机研究表明之间的电流和电压信号。
这些步骤共同构成了HEMT器件的原理。
通过这些步骤，可以制造出高质量的HEMT器件，提供高频率和低功率的性能，以及其他优点。
HEMT器件已经在通信、航天等领域得到了广泛应用，展现了大量的潜力。
HEMT
-------High Electron Mobility Transistor
高电子迁移率晶体管
成员：李臣 谢沁 诸洁 曹秀萍
能带图~~ 能带图 器件结构和特点
I~V特性 特性 应用领域
结构
HEMT的基本结构就是一个调制掺杂 调制掺杂 异 在宽禁带的AlGaAs层（控制层）中 掺有施主杂质，在窄禁带的GaAs层 （沟道层）中不掺杂（即为本征层） AlGaAs层通常称为控制层，它和金 属栅极形成肖特基势垒结，和GaAs 层形成异质结
2 Z = µ ε 2 (V GS −V T )V DS −V DS 2 I DS L d + ∆d
此时，跨导为 当
Z = µ ε 2 V DS g m L d + ∆d
V
DS
增加到
V
=
Dsat
= V GS −V T 时, 沟道夹断, 即得到饱和电流：
HEMT能带图
能带图
AlGaAs的禁带宽度比 GaAs大，所以它们形成 异质结时，导带边不连 续， AlGaAs的导带边比 GaAs的高 Ec 实际上就是前者的电子 亲和能比后者的小，结 果电子从AlGaAs向 GaAs中转移，在GaAs 表面形成近似三角形的 电子势阱
HEMT
对于GaAs体系的HEMT，通常其中的n-AlxGa1-xAs控制层应该是耗尽的 (厚度一般为数百nm, 掺杂浓度为10 ~ 10 /cm3)。 若n-AlxGa1-xAs层厚度较大、掺杂浓度又高，则在Vg =0 时就存在有2DEG, 为耗尽型器件，反之则为增强型器件( Vg=0时Schottky耗尽层即延 伸到i-GaAs层内部)； 但该层如果厚度过大、掺杂浓度过高, 则工作时就不能耗尽, 而且还将出 现与S-D并联的漏电电阻。总之，对于HEMT，主要是要控制好宽禁带半 导体层——控制层的掺杂浓度和厚度，特别是厚度。
GaAs HEMT
之则为增强型器件；但该层如果厚度过大、掺杂浓度过高, 则工作时就不能耗
尽, 而且还将出现与S-D并联的漏电电阻。对于HEMT，主要是要控制好宽禁 带半导体层——控制层的掺杂浓度和厚度，特别是厚度。
HEMT 栅压与电流关系
HEMT 分类
按沟道种类分为： N沟道HEMT； P沟道HHMT。 按工作模式分为： 耗尽型（D型）HEMT--栅压为零时有沟道 增强型（E型） HEMT--栅压为零时无沟道
电子的迁移率μn，这就发展出了HEMT。
HEMT 发明
GaAs HEMT 制备工艺
HEMT工作原理
HEMT是电压控制器件，栅极电压Vg 可控制异质结势阱的深度，则可控
制势阱中 2-DEG 的面密度，从而控制着器件的工作电流。对于 GaAs 体系的
HEMT，通常其中的 n-AlxGa1-xAs控制层应该是耗尽的 。若n-AlxGa1-xAs层 厚度较大、掺杂浓度又高，则在Vg =0 时就存在有2-DEG, 为耗尽型器件，反
HEMT 的应用
谢谢大家
GaAs HEMT
（High Electron Mobility Transistors）
高电子迁移率晶体管
演讲人：张福生 时 间：2016.12.20
HEMT 简介
HEMT 高电子迁移率晶体管。这是一 种异质结场效应晶体管，又称为调
制掺杂场效应晶体管（ ）、
二 维 电 子 气 场 效 应 晶 体 管 （ 2DEGFET ）、选择掺杂异质结晶体管 (SDHT)等。这种器件及其集成电路都 能够工作于超高频（毫米波）、超 高速领域，原因就在于它是利用具 有很高迁移率的所谓二维电子气来 工作的。
pHEMT 赝配高电子迁移率晶体管
虽然普通结构的 HEMT 具有很好的高频、高速性能，但 存在有一个很大的问题，其性能的温度稳定性较差。这与nAlxGa1-xAs中出现的一种陷阱——―DX中心”有关。这种DX 中心能俘获或放出电子，使得 HEMT 中的二维电子气（ 2DEG）浓度将随温度而变化，从而导致HEMT的阈值电压不 稳定，特别是在低温下，由于DX中心存储电子的作用较强， 可造成EMT的I-V特性崩塌。 如何消除DX中心的影响? ——这就发展出所谓pHEMT
HEMT器件的原理与应用
HEMT器件的原理与应用1. 概述HEMT（High Electron Mobility Transistor）即高电子迁移率晶体管，是一种常用的半导体器件。
它具有高频率、高功率、低噪声和低功耗等优点，因此在微波和无线通信等领域得到广泛应用。
本文将介绍HEMT器件的原理与应用。
2. 原理HEMT的工作原理是基于半导体材料中的能带结构和电子迁移过程。
通过在半导体材料上引入异质结构，形成二维电子气层，该层具有高迁移率的特性，因此称之为高迁移率电子气层。
在HEMT中，电子主要沿着电子气层运动，这使得HEMT具有快速开关和高频率响应的能力。
3. 结构HEMT的基本结构包括： - 衬底：通常使用高纯度的半导体材料，例如GaN （氮化镓）。
- 绝缘层：位于衬底和二维电子气层之间，用于隔离二者。
- 二维电子气层：在绝缘层上形成的电子运动的通道。
- 栅极和源/漏区：用于控制和调节二维电子气层中的电子流。
4. 应用HEMT器件在许多领域有着广泛的应用，包括： ### 4.1 通信领域 HEMT器件可用于设计高性能的射频放大器和混频器，广泛应用于移动通信、卫星通信和雷达系统等领域。
其高频特性使其能够处理高速信号，提供更好的通信质量和更远的通信距离。
4.2 无线传感器网络HEMT器件的低功耗特性使其非常适合用于无线传感器网络。
在无线传感器网络中，大量的传感器节点需要低功耗的通信设备进行节点间的数据传输和通信。
HEMT器件提供了能够在低功耗下工作的高频率能力，能够满足无线传感器网络的通信需求。
4.3 光纤通信在光纤通信中，HEMT器件可以用于光电转换器件的设计。
通过将HEMT器件与光纤耦合，能够实现光信号到电信号的转换，从而实现光纤通信与电子设备的连接和通信。
4.4 电力电子HEMT器件在电力电子领域中的应用也越来越广泛，如电力变换器、直流输电、光伏逆变器等。
其高功率和高效率的特性使得HEMT器件成为电力电子设备中的重要组成部分，可以提高能源的利用效率。
半导体器件物理专题 -HEMT
2.GaN体系HEMT
HEMT的关键是掺杂层和沟道层问的异质结。传统的GaAs或 InP基HEMT，掺杂层是n型掺杂，施主是2DEG的主要来源。 异质结处存在导带差，驱使电子从掺杂层进入到沟道层，并 将电子限制在沟道层内距异质结处几纳米范围内，形成2DEG。 高2DEG而密度是HEMT设计的目标。在GaN基HEMT中，除去 导带差异因素外，AIGaN和GaN的极化效应也能生成2DEG。 2DEG中的电子有三个主要来源：(1)从掺杂AIGaN层转移的电 子；(2)GaN沟道层巾杂质的贡献；(3)由极化效应诱生的上述 来源的电子。AIGaN／GaN界面处2DEG的面电子密度既取决 于导带不连续程度和异质结构的人为掺杂，又受到压电和自 发极化效应的影响。
1.GaAs体系HEMT
InGaAs层厚度约为20nm，能吸 收由于GaAs和InGaAs之间的晶 格失配（约为1％）而产生的应 力，在此应力作用下，InGaAs 的晶格将被压缩，使其晶格常 数大致与GaAs与AlGaAs的相匹 配，成为赝晶层。因为InGaAs 薄层是一层赝晶层且在HEMT中 起着 i –GaAs层的作用，所以成 为“赝”层，这种HEMT也就相 应地成为赝HEMT。
2.GaN体系HEMT
制作工序： 首先制造源、漏电极。光刻欧姆接触窗口，利用电 子束蒸发形成多层电极结构Ti／A1，Ti／Au(200／ 1200／400／200h)，剥离工艺形成源、漏接触。使 用快速热退火(RTA)设备，在900℃、30 Sec氩气保护 条件下形成良好的源、漏欧姆接触。然后光刻出需 刻蚀掉的区域，使用反应离子束刻蚀(RIE)设备，通 入BCl，刻蚀台阶。最后再次利用光刻、电子束蒸发 和剥离工艺形成(Ni／Au300／700h)肖特基势垒栅金 属。
hemt 欧姆接触 电阻率
hemt 欧姆接触电阻率
HEMT（High Electron Mobility Transistor）高电子迁移率晶体管的欧姆接触电阻率是指在HEMT 器件中，金属与半导体之间形成的欧姆接触的电阻值。
欧姆接触是指在金属与半导体之间形成的低电阻接触，其电阻值应该尽可能低，以保证电流能够顺畅地通过接触界面。
欧姆接触电阻率的大小受到多种因素的影响，包括金属材料的选择、半导体表面的处理、接触面积的大小、接触界面的形貌等。
为了降低欧姆接触电阻率，通常采用以下方法：
1. 选择合适的金属材料：选择具有低电阻率和高导电性的金属材料，如金、银、铜等。
2. 优化半导体表面处理：通过化学蚀刻、退火等处理方法，改善半导体表面的形貌和晶体结构，以提高金属与半导体之间的接触性能。
3. 增加接触面积：通过增加金属与半导体之间的接触面积，可以降低接触电阻，从而降低欧姆接触电阻率。
4. 优化接触界面形貌：通过控制金属沉积过程中的条件，如温度、压力、沉积速率等，可以优化接触界面的形貌，从而降低欧姆接触电阻率。
hemt工作原理
hemt工作原理你知道 HEMT 吗？这可是个神奇的东西呢！咱先来说说 HEMT 到底是啥。
简单来讲，HEMT 就是一种高电子迁移率晶体管。
它在很多高科技领域那可是大显身手，比如说通信、雷达这些地方。
那它为啥这么厉害呢？这就得从它的工作原理说起啦！想象一下，在 HEMT 里面，有两层不同的半导体材料紧紧靠在一起。
一层是能提供大量电子的，就像一个电子的大仓库；另一层呢，则像是一个控制电子流动的管理员。
当我们给 HEMT 加上电压的时候，那些电子就像是得到了出发的命令，开始欢快地奔跑起来。
由于这两层材料的特殊性质，电子在它们之间的界面处可以跑得特别快，就好像是在高速公路上飞驰一样。
而且呀，这个界面处的电子受到的阻碍很小很小，所以它们能够非常顺畅地流动。
这就使得 HEMT 具有非常高的电子迁移率，从而能够实现快速的信号处理和传输。
你看，普通的晶体管里，电子跑起来可能会磕磕绊绊的，速度就慢了下来。
但是在 HEMT 里，电子就像是参加短跑比赛的运动员，一路畅通无阻，速度快得惊人！还有哦，HEMT 对于微弱的信号也特别敏感。
哪怕是一点点小小的信号变化，它都能迅速捕捉到，并且准确地进行处理。
这就好比它有一双超级敏锐的眼睛，任何细微的风吹草动都逃不过它的“视线”。
所以呀，在需要高精度、高速度处理信号的场合，HEMT 就成了当之无愧的明星选手。
比如说在手机通信中，它能让我们的通话更清晰、上网速度更快；在卫星通信里，它能确保遥远的信号也能稳定地传输；在雷达系统中，它能帮助我们更准确地探测目标。
HEMT 这个小家伙的工作原理虽然有点复杂，但是它带来的好处可是实实在在的。
它就像是一个默默无闻的幕后英雄，为我们的现代科技生活贡献着巨大的力量！怎么样，朋友，这下你对 HEMT 的工作原理是不是有了更清楚的认识啦？。
氮化镓hemt短路能力
氮化镓hemt短路能力一、氮化镓HEMT简介氮化镓高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）是一种半导体器件，其关键材料是氮化镓（GaN）。
相比传统的硅材料，氮化镓具有更高的电子迁移率和更高的饱和电子漂移速度，使得HEMT具有更高的工作频率、更低的噪声和更好的功率放大特性。
二、短路能力的定义和重要性短路能力是指器件在承受额定电压的情况下，能够承受的最大瞬态电流。
对于射频和微波领域的应用来说，短路能力是一个重要的指标，因为在这些应用中，器件常常需要承受高功率的输入信号，并产生相应的输出功率。
如果器件的短路能力不足，容易出现器件损坏甚至失效的情况。
三、氮化镓HEMT的优势氮化镓HEMT具有许多优势，其中之一就是其较高的短路能力。
这一优势主要归功于氮化镓材料的特性：高电子迁移率、高饱和电子漂移速度以及较高的击穿电压。
这些特性使得氮化镓HEMT能够在高功率输入信号下保持较好的线性性能和可靠性，从而在射频和微波领域得到广泛应用。
四、氮化镓HEMT的短路能力测试为了评估氮化镓HEMT的短路能力，通常使用直流（DC）短路测试方法。
该测试方法通过将器件接入直流电源，并逐渐增加电流，直到达到器件的最大承受电流为止。
在测试过程中，需要监测器件的电流和电压，以确保不超过其额定值。
通过该测试，可以得到器件的短路能力指标。
五、氮化镓HEMT的应用由于其较高的短路能力和优异的性能，氮化镓HEMT在射频和微波领域有着广泛的应用。
其中包括无线通信系统、雷达系统、卫星通信系统等。
在这些应用中，氮化镓HEMT能够提供高功率和高线性度，满足信号处理和传输的要求。
六、氮化镓HEMT短路能力的影响因素氮化镓HEMT的短路能力受多种因素影响。
其中包括器件结构设计、材料质量、制造工艺等。
合理的器件结构设计和优质的材料可以提高器件的短路能力。
此外，制造工艺的精细化和优化也能够改善器件的短路能力。
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ε r 2ε 0ε i2 =
2ε 0ε r 2 N 2 V 20 + qN 2 d - qN 2 d .
V 20 = Δ Ec - δ 2 - EF0 .
2
2
由图 3 可知 ,
图3 n - Al x Ga 1 - x AsΠ GaAs 异质结平衡时的能带图
下式表示 :
( 5)
以上利用三角形势阱近似的方法 , 描述了阱中 二维电子气的量子化行为 . 实际上 ,薛定谔方程中的 电势 V ( z ) 是由窄带一侧电离杂质电荷和阱中电子 电荷的密度分布来决定 ,其规律应满足泊松方程 ,显 然这是一个自洽求解过程 . 图 2 给出了有限高势垒 ( 如 n - Al x Ga1 - x AsΠ
1 前言
[1 ] 1960 年 , 安德森 ( Anderson ) 预言 在异质结界
了巨大的生命力 . 本讲 从 异 质 结 构 中 的 2DEG 形 成 入 手 , 分 析
2DEG 的量子化状态及其一些物理性质 . 在此基础上
面存在有电子的积累 . 1969 年 , Easki 和 Tsu 提出 在禁带宽度不同的异质结结构中 , 离化的施主和自 由电子是分离的 . 即 , 电子离开施主母体 , 由宽带隙 材料一侧进入窄带隙材料一侧 . 这种分离减少了母 体对电子的库仑作用 ,提高了电子迁移率 . 1978 年 , [3 ] Dingle 等 在调制掺杂的异质材料中观察到了载流 子迁 移 率 增 高 的 现 象 . 随 后 , 在 调 制 掺 杂 GaAsΠ n - Al GaAs单异质结结构的实验中 , 证明了异质界面 [4 ] 存在着具有二维行为的电子气 ( 2DEG) , 而且有高 的迁移率 . 1980 年 , 一种新调制掺杂 GaAsΠ n - Al x
式中 ε r1 为 GaAs 的相对介电常数 , N d1 为非掺杂 GaAs 中离化施主浓度 ,在大于阱宽 W1 ( 即 d1 > W1 ) 时 ,可 认为电场为 0 ,对上式积分 ,得到 ε r1ε 0ε 1 = qn s - qN d1 d1 , 因为势阱 GaAs 为非掺杂 , N d1 可以忽略 ,因此有 ε r1ε 0ε 1 = qn s ,
物理
( 2) = hΠ
π , h 为普朗克常数 , m 为电子的有效质量 , E 为电 2 子的能量本征值 , Ψ ( z ) 为电子在 z 方向上的波函 数. 将 ( 2) 式代入 ( 1) 式 ,得到 2 3 d Ψ ( z) 2m ( 3) + 2 2 ( E - qFS z ) Ψ ( z ) = 0 , dz ) = 0 , Ψ ( 0 ) = 0 ( 无穷高 其解是艾黎函数 , 取 Ψ ( ∞ ・224 ・
HIGH EL ECTRON MOBIL ITY TRANSISTORS
WANG Liang2Chen
( Institute of Semiconductors , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100083 , China)
Abstract Assuming the formation of a two2dimensional electron gas in a triangular potential well at the heterointerin2 face we calculate both the quantized energy level and the interface sheet electron concentration. Optimization of high the electron mobility transistors , the charge control model and the current2voltage characteristics of these transistors are then analyzed. Key words 2DEG, HEMT , potential well
30 卷 (2001 年) 4 期
续 ,重掺杂的 N - Al GaAs 层中的电子将转移到非掺 杂的 GaAs 一侧 ,而电离施主仍留在 Al GaAs 一侧 . 界 面附近能带发生弯曲 ,Al GaAs 一侧形成势垒 , GaAs
3 2000 - 03 - 30 收到初稿 ,2000 - 11 - 24 修回
势垒) ,则能量的本征值 Ei 只能取
2
Ei =
1 3
2m
3
3 πqFs i + 3 2 4
2 3
( i = 0 ,1 ,2 , … ) , ( 4)
上式说明 ,势阱中的电子状态是量子化的 ,能量的本 征值 Ei 是一系列量子化的分离值 . 能级越高 , 能级之间的间隔越小 , 最后趋于连 Δ Ei 越大 , 量子化效果越显著 . 估算势 续 . Fs 越大 , 阱的宽度为 〈 zi 〉= 2 Ei Π 3 qFs ,
30 卷 (2001 年) 4 期
dε 1 q =[ n ( x ) - N d1 ] , ε dx r1ε 0
平衡时 ,界面上电位移矢量连续 ,有 ε r 2ε 0ε i2 = ε r 1ε 0ε i 1 = qn s , 所以
qn s =
2 2 2 ε 2q r2ε 0 N 2 V 20 + q N 2 d - qN 2 d , ( 9)
EF , E0 及 E1 之间的关系 .
前面已经谈到 , 二维电子气是由宽带隙的高掺 杂 N - Al GaAs 来提供 ,因此 ,建立二者之间关系是必 要的 . 利用耗尽层近似 , 在 N - Al GaAs 空间电荷区 , 电压 V 2 ( x ) 遵守泊松方程 ,
d V2 q =n2 ( x ) , 2 ε dx r 2ε 0
Eg |
Al
0122
Ga
0178
As
= 1170eV , Eg |
GaAs
= 1142eV , Δ Eg =
,即所谓高电子迁移率
0128eV) . 这种带隙的差异导致了在异质界面带边断
晶体管 ( HEMT) 问世 . 近些年来 ,MBE 和 MOCVD 材料生长技术快速 发展 ,人们利用能带工程设计了多种异质材料结构 的 HEMT 器件 . HEMT 以其高频 、 高速 、 低噪声 、 大功 率等优势 ,已开始在通信等领域广泛应用 ,并显示出
3
( 1)
由图 2 看出 ,对于有限高势垒 ,电子波函数已渗 透到了 Al GaAs 中 . 因此 , 为减少电离杂质散射 , 在 n - Al GaAs和 GaAs 之间加入非掺杂的 Al GaAs 薄层 , 一般为 30 ! 左右 . [ 11] 213 势阱中二维电子气密度 二维电子气的面密度是影响 HEMT 器件最大电 流密度等性能的重要因素 . 虽然 ,势阱的电子来自高 掺杂的宽禁带材料 ( 如 n - Al x Ga1 - x As) ,但是要获得 高的二维电子气密度 , 除高掺杂外还应设计合理的 材料结构 ,如带隙差的选择 ,层厚等等 . 图 3 给出了 n - Al x Ga1 - x AsΠ GaAs 异质结平衡时 的能带图 . ( 4) 式表征了异质结中 ,势阱中纵向量子化离散 能量同电场之间的关系 . 依照泊松方程 , 在势阱 GaAs 中的电场 ε 1 可用
讲 座
半导体量子器件物理讲座 第二讲 高电子迁移率晶体管( HEMT)
王 良 臣
( 中国科学院半导体研究所 北京 100083)
3
摘 要 文章从异质界面的三角势阱中二维电子气的形成入手 , 计算了二维电子气的量子化能级及其面电子密 度 . 对 HEMT 器件材料结构参数的优化 、 器件的电荷控制模型及 I - V 特性作了分析 . 关键词 二维电子气 ,高电子迁移率晶体管 ,势阱
q ( EF - E0 ) ・ kT
2 2 2
应用费米 - 狄拉克统计 ( 电子占据晶体中各能 级几率的总和等于晶体中电子的总数 ,Σ f ( Ej ) = 晶
j
q ( EF - E1 ) kT
,
( 10)
体中电子总数) ,势阱中总的面电子密度为 q ( EF - E0 ) DkT ns = ln 1 + exp ・
[9 ,10 ] GaAs) 的自洽求解的计算结果 .
图1 n - Al GaAsΠ GaAs 异质结界面导带边示意图
如上所述 , 异质结构中非掺杂的窄带材料势阱 中的电子与宽带中电离施主空间上是分离的 , 减弱 了二者之间的库仑作用 ( 即杂质散射 ) , 电子迁移率 显著增加 ,而且在宽带材料高掺杂的情况下 ,仍可获 得高的迁移率 . 因此 , 在很大程度上缓解了 MESFET 结构中掺杂浓度与迁移率之间的突出矛盾 , 得到了 μ) 的导电沟道 . 高电导率 (σ= ne
( 6)
Байду номын сангаас
该式建立了在宽带 Al GaAs 层中空间电荷区的电压
V 20 ,电荷密度 N 2 及隔离层 d 与窄带一侧阱中二维
电子气浓度 ns 之间的关系 . 即得到平衡方程 : ε 2q r 2ε 0 N 2 V 20 + q N 2 d - qN 2 d = qn s
= DkTln 1 + exp 1 + exp
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电荷区的电荷密度 . 取边界条件 : V 2 ( 0) = 0 ,
d V2 dx d V2 dx =-ε i2 ,
x=0
= 0.
x= - W
2
式中 ε i 2 是异质结界面 ( Al GaAs 一侧 ) 电场 ,W2 为空 间电荷区宽度 . 若 n2 ( x ) = 0 , - d < x < 0 ( 非掺杂隔 离层 d) ; n2 ( x ) = N 2 , - W2 < x < - d ( 掺杂层 ) , 对