先进半导体材料与器件Chapter4

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Chapter4 化合物半导体场效应晶体管

一．金属半导体场效应晶体管（MESFET）

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

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。

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。

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：

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。

二．高电子迁移率晶体管（HEMT）

1.HEMT 与MSFET的比较
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
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。

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
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

GaAs HEMT的小信号等效电路图
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：

在微波高频器件中，fT高的器件噪声系数低， 最小噪声系数Fmin也可以用下面经验式表示：

提高HEMT功率的方法

HEMT新的发展

GaN基 HEMT的结构示意图
GaN基HEMT构成技术