先进半导体技术

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Chapter4 化合物半导体场效应晶体管

作者： Saint
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一．金属半导体场效应晶体管（MESFET）
二．高电子迁移率晶体管（HEMT）

一．金属半导体场效应晶体管（MESFET）

1.器件结构
2.器件工作原理
3.电流-电压特性

1.场效应晶体管FET
场效应晶体管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。
特点：输入电阻高、噪声低、热稳定性能好、抗辐射能力强。
主要用于大规模和超大规模集成电路中。

场效应晶体管FET（field effect transistor）的分类
– 金属/氧化物/半导体场效应晶体管(MOSFET)
– 结型场效应晶体管 (JFET)
– 金属/半导体结场效应晶体管 (MESFET)
– 高迁移率电子晶体管 (HEMT)
– 调制掺杂场效应晶体管 (MODFET)

三种场效应晶体管的比较
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2.器件的工作原理
MESFET的原理结构如下图所示。将源极接地，栅极电压与漏极电压是相对源极测量而得。

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正常工作情形下，栅极电压为零或是被加以反向偏压，而漏极电压为零或是被加以
正向偏压。也就是说VG≤0而VD≥0。
对于沟道为n型材料的器件称为n沟道MESFET。

在大多数的应用中是采用n沟道MESFET而非p沟道MESFET，这是因为n沟道器件具有较高的电子迁移率

当没有外加栅极电压且VD很小时，沟道中有很小的漏极电流流通。此电流大小为VD/R。其中R为沟道电阻。因此，电流随漏极电压呈线性变化。

当然，对任意漏极电压而言，沟道电压是由源极端的零渐增为漏极端的VD。因此，沿着源极到漏极肖特基势垒的反向偏压渐强。当VD增加，W也随着增加，使得电流流动的平均截面积减小，沟道电阻R也因此增加，这使得电流以较缓慢的速率增加。

随着漏极电压的持续增加，最终将使得耗尽区接触到半绝缘衬底，在此漏极电压时，源极和漏极将会被夹断或说是被反向偏压的耗尽区完全分隔开：
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在夹断点后，当VD进一步增加，则靠近漏极端的耗尽区将逐渐扩大，而P点将往源极端移动。然而，P点处的电压维持为VDsat，因此，每单位时间由源极移往P点的电子数目以及沟道内的电流也维持不变，这是因为在沟道中，由源极到P点的电压降维持不变。当漏极电压大于VDsat时，电流基本上维持在IDsat，且与VD无关。
在这里插入图片描述当加入反向栅极偏压时，耗尽区宽度W随之增加。对较小的VD而言，沟道就像是电阻器一般，但是具有较高的阻值，这是因为沟道的截面积减小的关系。VG=-1V的初始电流比VG=0时的初始电流来得小。当VD增加至某一特定值时，耗尽区将接触到半绝缘衬底．此时VD值为：
在这里插入图片描述对n沟道MESFET而言，栅极电压相对于源极为负值，所以在上述各式
中，使用VG的绝对值。由上式可以看出，外加的栅极电压使得开始发
生夹断时所需的漏极电压减小了VG的值。

3.电流-电压特性
考虑在开始夹断前的MESFET，夹断电压为3.2V的MESFET的I-V特性：
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当电压超过VDsat时，电流被看作是一定值。注意电流-电压特性中有着三个不同的区域。当VD比较小时，沟道的截面积基本上与VD无关，此I-V特性为欧姆性质或是线性关系。于是将这个工作原理区域视为线性区。

当VD≥VDsat时，电流于IDsat达到饱和，将这个工作原理区域称为饱和区。当漏极电压进一步增加，栅极-沟道间二极管的雪崩击穿开始发生，这使得漏极电流突然增加，这就是击穿区。
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二．高电子迁移率晶体管（HEMT）

1.HEMT的基本结构
2.HEMT的工作原理
3.HEMT的电学特性
4.HEMT的微波特性
5.HEMT的新发展

1.HEMT 与MSFET的比较
在这里插入图片描述 GaAs HEMT与MESFET的比较
同栅长时，截止频率，高噪声，低开关速度快，逻辑振幅低电平的跨导大，使用于超高速VLSI
HEMT的经典结构示意图
HEMT的基本特点
一种三端器件；一种耗尽型器件(与MESFET相似) 电学特性类似MOSFET器件
电场特性： 阈值电压，电流饱和

HEMT的基本结构示意图
在这里插入图片描述 工作原理：
通过栅电场效应控制异质结界面处的二维电子气的浓度，即通过栅下的肖特基势垒来控制GaAs/AlGaAs 异质结中的2DEG的浓度从而实现控制电流。

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HEMT的工作模式
栅偏压为零时电流处于导通状态的，称为耗尽型模式(D-HEMT) 栅偏压为正时电流处于导通状态的，称为增强型模式(E-HEMT)
•HEMT的工作原理是通过栅电场效应控制异质结界面的二维电子气。
•HEMT与MESFET之间的主要区别在于有源层。
•HEMT的工作原理类似栅电容不受偏压影响的MOSFET。

HEMT器件结构的几种典型例子
在这里插入图片描述 HEMT器件的几种结构示意图
3.HEMT器件直流的输出特性曲线
HEMT的漏极电流－电压特性
电学特性类似－MOSFET器件
HEMT 的漏极电流－电压特性与 Si MOSFET的电流－电压特性基本上是相同

4.HEMT的微波特性

HEMT的等效电路
低噪声HEMT
高输出HEMT

GaAs HEMT的小信号等效电路图
在这里插入图片描述 GaAs HEMT等效电路参数表示的功率增益
首先，在输入端口施加高频电压，假设主要被加到栅电容CGS上，则可求输入损失Pi，由施加在栅电容CGS之上的高频电压Vi 引起高频漏极电流可算，因为那么截至频率fT可由电流增益为1，得到：
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如果负荷电阻RL接到输出端口上，可表示出输出功率P0，HEMT功率增益G可表示为：
在这里插入图片描述上式在RL＝1/gD时为最大，G的最大值Gmax为：
低噪声HEMT
噪声:是由在某一稳定状态中的某种现象所引起的“扰动”所产生的。
热噪声（thermal noise）:由导体中的传导电子（载流子）与晶格相碰撞而不断进行的不规则热运动。
散粒（散射）噪声（shot noise）：流过pn结或肖特基结等势垒的直流电流在统计上所表现出的扰动性。
1/f 噪声:又叫（flicker noise），半导体表面的不稳定性。