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第四章第四章 单极型器件单极型器件 中国科学技术大学物理系微电子专业简介•单极型器件是指基本上只有一种类型的载流子参与导电过程的半导体器件主要讨论以下五种类型的单极型器件：1.金属半导体接触；2.结型场效应晶体管（JFET）；3.金属半导体场效应晶体管（肖特基栅场效应晶体管MESFET）；4.金属氧化物半导体二极管；5.金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET） 8/4/20242半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•金半接触：在电学性能上类似于单边突变结，但能作为具有高速响应特性的多数载流子工作器件来用重掺杂半导体上的金半接触是欧姆接触的最重要形式•JFET： 基本上是一个由电压控制的电阻这种器件利用一个反向偏置的pn结作为栅电极去控制电阻，从而控制两个欧姆结之间的电流•MESFET：类似于JFET，MESFET用金半整流接触去代替pn结作栅电极JFET和MESFET可以用具有高电子迁移率的半导体材料制造，对于高速IC，具有非常好的优点其次，FET在大电流下具有负温度系数，即电流随温度的增加而减小，这个特点导致更均匀的温度分布，而且即使有源面积很大，或在许多器件并联使用时，其热稳定性非常好。

8/4/20243半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业§4.1 §4.1 金属金属——半导体接触半导体接触•第一个实用的半导体器件是由金属－半导体点接触形成的整流器，是一根金属触须压在半导体表面上构成的，这种半导体器件从1904年开始已经得到很多应用 •金属—半导体接触可形成整流器1938年，肖特基提出，半导体内稳定的空间电荷形成的势垒可能有整流作用由此产生的势垒模型就是所谓肖特基势垒金属—半导体形成的结称为肖特基结•金属—半导体接触也可能是非整流性的, 即不管所加电压极性如何，接触电阻均可忽略，这种金属—半导体接触称为欧姆接触为实现电子系统中的相互连接，所有半导体器件和集成电路都必须有欧姆接触 8/4/20244半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业1、能带关系•金属和半导体接触时，由于金属的功函数一般和半导体的功函数不同，而存在接触电势差，结果在接触界面附近形成势垒，通常称为肖特基势垒 •功函数是费米能级和真空能级的能量差（即对于金属为qфm，对于半导体为qфs） •半导体导带底和真空能级能量差称为电子亲和能q•金属半导体的接触势垒是指电子从金属进入半导体必须克服的势垒的高度。

8/4/20245半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•当金属与半导体形成紧密接触时，在热平衡下两种材料的费米能级必须相等此外，真空能级必须是连续的 •对于这种理想的情况，势垒高度qфBn就是金属功函数和半导体电子亲和能之差，•同样，对于理想的金属与P型半导体的接触，其势垒高度可用类似步骤确定： 8/4/20246半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•对给定的半导体，任何金属在n型衬底和p型衬底上的势垒高度之和总等于 •n型半导体的自建电势为 •又有： 其中qVn为半导体的导带底和费米能级之差 8/4/20247半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•金属与n型半导体接触，金属一侧有负表面电荷，半导体一侧存在等量的但极性相反的正空间电荷这种电荷分布和具有同样电场分布的P+-N结完全相同，由此得到半导体表面耗尽层宽度为： •金属相对n型半导体加正电压（正向偏置）时，上式中外加电压V取正值；金属相对n型半导体加负电压即反向偏置时，外加电压V取负值 8/4/20248半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•半导体内单位面积的空间电荷QSC（C/cm2）和单位面积耗尽层电容C（F/cm2）可表示为：测量出C－V曲线，即可得到杂质分布 或者8/4/20249半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业2、界面态对势垒高度的影响 •n型Si和n型GaAs的势垒高度测量值显示，qΦBn随qΦm的增大而增大，但不是直线，这是因为在实际的金属半导体接触中，由于晶格不连续，在接触界面处产生大量的能量状态，这些能量状态叫做界面态或表面态，它们连续分布在禁带内，可能起施主或受主作用，影响势垒高度的实际值，对Si和GaAs，n型势垒高度被低估，p型势垒高度被高估。

•为了描述半导体表面态，引入中性能级qΦ0：当qΦ0以下的表面态全部被电子占据，而以上的全部空出时，半导体表面是中性的低于qΦ0的界面态没有电子占据时带正电，作用相当于施主，高于qΦ0的界面态被电子占据时带负电，作用相当于受主如果qΦ0与半导体的EF重合，则界面态和半导体内部没有电子交换，界面的净电荷为0如果qΦ0>EF，则电子从表面向体内转移，界面净电荷为正，qΦ0

大电场下，肖特基势垒被镜像力降低很多•镜像力使肖特基势垒降低的前提是金属表面附近的半导体导带底要有电子存在，势垒本身的高度由金半功函数和表面态决定，与电子是否存在无关•所以在测量势垒高度时，如果所用方法与电子在金属与半导体间的输运有关，则所得结果将比实际值要低如果测量方法只与耗尽区的空间电荷有关，而不涉及电子输运，如电容法，则测量结果不受镜像力影响同样，空穴也产生镜像力，它使半导体能带的价带顶在边界附近向上弯曲，使接触处能带变窄8/4/202413半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•肖特基势垒高度对实用肖特基势垒二极管SBD的电学性质有重要影响，连续调整肖特基势垒高度的方法有：①用金属的合金作为肖特基势垒金属，所得势垒高度随合金的组分线性变化；②在不同气氛下对半导体表面或金半势垒进行热处理，从而改变金半之间薄界面层厚度和性质，以此改变肖特基势垒高度，但较难得到稳定的器件性能；③在半导体表面作掺杂层是目前广泛使用的方法，为使有效势垒降低，表面层掺入与半导体衬底同型的杂质，为使有效势垒高度增加，则在表面层掺入与衬底反型的杂质8/4/202414半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业§4.2 §4.2 肖特基势垒二极管（肖特基势垒二极管（SBDSBD））•肖特基势垒中的电流主要由半导体中的多子承担，没有少子的注入和复合问题，故比pn结二极管有优良的高频特性。

SBD通常采用迁移率大的n型材料制造开关速度比pn结二极管大4个数量级根据工作状态、结构特点和应用范围，可用于微波检波和混频（正向IV非线性），肖特基变容管（CV特性），箝位二极管（正向导通），光电二极管，雪崩二极管（反偏势垒特性）以及作为MESFET的控制栅极 8/4/202415半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业1、典型结构•在n＋衬底外延1μm厚的轻掺杂层，电阻率约1Ωcm，外延层的作用是加宽耗尽层，减小耗尽层电容，提高二极管的击穿电压，p＋保护环可以避免反向应用时的边缘击穿和沟道效应势垒金属用蒸发、溅射、电镀等方法沉积于清洁的半导体材料上，要在高真空下，防止形成界面氧化层•金属材料主要有Au、Al、Pt、W、Ti、Ni、Ag及其合金，衬底材料主要有Si、GaAs、InP、SiC、ZnO等8/4/202416半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业2、伏安特性•金属—半导体接触在热离子发射情况下的伏安特性： 其中•除多子电流外，还存在少子电流，由金属向半导体中注入少子（空穴），空穴的注入和p+n结情况一样，其电流密度为： 其中8/4/202417半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•例：对于W-Si SBD，ND=1016cm-3，JS=6.5×10-5A/cm2,试求： (1) (2) 耗尽区宽度 W (3) JS/Jp0 (设Si中τp＝10-6s，T＝300K， NC＝2.8×1019cm-3)正常工作条件下，少子电流比多子电流小几个数量级以上，因此肖特基器件是单极型器件。

8/4/202418半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业3、简单应用•箝位晶体管 在数字电路中广泛应用由于SBD导通电压低，只需0.2-0.3V即正向导通，晶体管不进入深饱和状态由于SBD几乎没有少子存贮效应，开关时间可达到毫秒量级，且与硅工艺兼容常用在晶体管集电极与基极之间，组成一个饱和时间常数很短的组合晶体管•SBD检波器和混频器8/4/202419半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业§4.3§4.3欧姆接触欧姆接触•定义接触电阻与半导体的体电阻或串联电阻相比可以略去不计的金属半导体接触为欧姆接触作为器件引线，一个满意的欧姆接触不应显著降低器件性能即，需要通过的电流在欧姆结上产生的电压降要远小于在器件有源区产生的电压降表示欧姆接触性质的参量是比接触电阻（接触电阻率，又称特征电阻），其定义为8/4/202420半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•对于低掺杂浓度的金属—半导体接触， 为了有小的接触电阻ρC，需要用低势垒高度的接触 8/4/202421半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•对于高掺杂浓度的接触，势垒宽度变得很窄，隧道电流可能起支配作用，隧道电流与穿透几率成正比： 又耗尽层厚度为： 式中，当隧道电流占主导地位时，即在隧道效应范围内，接触电阻率强烈依赖于掺杂浓度，且随 因子指数下降。

因此，8/4/202422半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业讨论：•因此，为获得小的接触电阻ρC，需要用高掺杂浓度或低势垒高度的接触，或二者都用 ① 掺杂在1019cm-3以上时，金半接触的隧道效应显著，为场发射情况ρC主要受隧道效应支配，且随杂质浓度的增加迅速下降② 掺杂在1014～1017cm-3时，温度在室温以上时，金半接触的电流以热电子发射为主，ρC基本上与掺杂无关③ 掺杂在1017～1018cm-3时，既有热电子发射电流又有隧道效应引起的场发射电流，称为热电子场发射情况 8/4/202423半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•影响接触电阻的因素有半导体掺杂浓度，金半接触势垒高度，温度，电子有效质量，半导体表面玷污等，其中最重要的是掺杂浓度和势垒高度半导体重掺杂能与许多金属形成接近理想的欧姆接触，而轻掺杂与金属形成欧姆接触时必须选择势垒高度很低的金属或合金才行 8/4/202424半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业§4.4§4.4结型场效应晶体管（结型场效应晶体管（JFETJFET））•这种器件最早在1952年开始研究结型场效应晶体管是通过外加栅极电压来改变栅结空间电荷区的宽度，从而控制沟道导电能力的一种场效应器件，即用一个或一个以上的反向偏置pn结的耗尽区去调制电流通过的截面积。

电流中只包含有一种极性的载流子，所以JFET是单极型器件此种器件已广泛用于小信号放大器、电流限制器、电压控制电阻器、开关及音响电路和集成电路中 8/4/202425半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业1、工作原理 (1) 基本结构 •在一块低掺杂的N型半导体晶片上，上下两侧对称制作两个高浓度P+区，与N区形成两个对称的P+N结在N区的左右两端各作一个欧姆接触电极，分别称为源极和漏极，记以S和DP+区也分别制作欧姆电极并相连，所引出的电极称为栅极，记以G两个P+N结中间（除去空间电荷区部分）区域称为沟道器件的基本结构尺寸是：沟道长度L，沟道宽度Z，沟道深度（两个p+n结之间的距离）2a•而P沟JFET是在P型半导体晶片上，上下两侧制作两个高浓度N+区，与P区形成两个对称的N+P结，然后分别引出电极而成N沟和P沟是以导电沟道类型划分的 8/4/202426半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•实际上，JFET可以认为是由一个带有两个欧姆接触的导电沟道构成，一个欧姆接触作源极，另一个作漏极当漏极加相对源极为正的电压，电子流从源流到漏，所以源产生载流子，漏收集载流子，第三个电极是栅极，它和沟道构成一个整流结。

•N沟JFET沟道中参与运载电流的是电子，而P沟则是空穴，不管是N沟还是P沟，运载电流的都是单一的多数载流子，因此，场效应晶体管是单极型晶体管N沟JFET优于P沟JFET 8/4/202427半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业(2) 器件的类型和代表符号 •场效应器件除了有N沟和P沟的区分外，按零栅压时器件的工作状态，又可分为耗尽型（常开）和增强型（常关）两大类栅压为零时已存在导电沟道的器件，称为耗尽型器件，相反则为增强型器件臂如，若沟道为高阻材料，当栅压为零时，栅结扩散电势Vbi已使沟道完全耗尽而夹断，因而栅压为零时不存在导电沟道这种只有当施加一定的正向栅压才能形成导电沟道的器件，称为增强型器件增强型器件在高速低功耗电路中有很大的使用前途•因此，JEFT总共可分成N沟耗尽型、N沟增强型、P沟耗尽型、P沟增强型四大类•其中箭头的方向代表空穴流的方向JFET一般都是耗尽型的 8/4/202428半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业(3) JFET的输出特性 JFET的IDS 和VDS之间特性称为输出特性下面分VGS=0和VGS0两种情况说明IDS随VDS的增加而变化的特性。

① VGS=0（即栅极与源极短路）时的漏极特性若VDS=0，此时P+N结处于平衡状态， 式中ND—N型沟道区的掺杂浓度；L、Z—沟道的长度和宽度；2a—沟道的深度；h—栅结零偏时的空间电荷区宽度 8/4/202429半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业（a）当漏极加上一个很小的正电位（即VDS>0）时，将有电子自源端流向漏端，形成了自漏极流向源极的漏源电流IDS这一电流在沟道电阻上产生的压降使得沟道区沿电流流动方向的电位不再相等由于P+区可视为是等电位的，因而沿沟道长度方向栅结上的实际偏压也由原来的零偏发生了大小不等的变化：靠近源端，由于VGS0，故空间电荷区窄而沟道厚度大，而靠近漏端栅结反向偏压大，故空间电荷区宽而沟道厚度小当VDS小于栅结接触电位差Vbi时，沟道耗尽层的这种变化可以忽略，沟道电阻可近似地用上式表示，此时沟道电流IDS与VDS成正比b）随着VDS增加，耗尽层的扩展与沟道的变窄已不能忽略，沟道电阻的增加使得IDS随VDS的增加逐渐变缓，当VDS= VDSat 时，沟道漏端两耗尽层相会在P点，此处沟道宽度减小到零，即沟道被夹断，P点为夹断点，在夹断点可以有一个大电流流过耗尽区，称为饱和电流IDsat。

对于突变结P+N，VG＝0时，可得到相应漏电压，这个电压值称为饱和电压，式中Vbi是栅结的内建电势8/4/202430半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业（c）夹断之后，当VDS进一步增加，即VDS VDSat 时，漏端的耗尽层更厚，两耗尽层的相会点P向源端移动当沟道载流子运动到沟道夹断点P时，立即被夹断区的强场扫向漏极，形成漏电流这样，单位时间内源到达P点的电子数目基本不变，因而沟道内的电流也不变，这是因为沟道内从源到P点的电压保持不变因此，漏电流仍由导电沟道的电特性决定由于夹断点的电位始终等于VDSat，若夹断点P移动的距离远远小于沟道长度L时，可以认为夹断后的IDS 不再随VDS的增大而变化，而是趋于饱和 8/4/202431半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业② VGS0时的漏特性对于N沟JFET来说，当P+N结上外加反向偏压时，即VGS0，耗尽层宽度增加，对于小的VDS，沟道仍起电阻作用，但由于电流通过的截面积减小了，沟道电阻变得更大此时IDS和VDS的关系与VGS=0时两者关系类似只不过是，曲线的斜率变小，饱和漏源电压VDSat变小而已当栅压VG＝－1V时，初始电流比栅压VG＝0时更小。

当VDS增加某一值时，两个耗尽区再次相接，这时的VP值为 8/4/202432半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•JEFT的转移特性 JEFT的转移特性是指漏极电流IDS随栅极电压VGS变化的特性 当VGS=0时，漏极电流IDS大于零，而当VGS<0，且负到一定值时即VGS＝－VP，漏极电流才等于零，此时整个沟道被夹断•JFET的输出特性曲线和转移特性曲线不是互相独立，而是密切相关的事实上，只要在输出特性曲线上某一VDS值下作垂线与各条VGS线相交，将对应的VGS值与对应的IDS值连接成一条曲线，即得到转移特性曲线•因此，JFET某一条转移特性曲线是在一定的VDS值下作出来的 8/4/202433半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业2、伏安特性（直流电流－电压特性）•JFET在工作时，栅源电压和漏源电压同时起作用，故沟道中电场、电势、电流分布均为二维分布因此用方程求解电流与电压的关系则比较复杂，肖克莱提出缓变沟道近似模型后，将问题变得十分简单 •该模型是：栅结耗尽区中沿垂直结平面方向的电场分量Ex与沿沟道长度方向使载流子漂移的电场分量Ey无关，且满足。

此即为缓变沟道近似理论这种缓变沟道近似理论是有一定局限性的它对于导电沟道夹断之后就不适用了 8/4/202434半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•肖克莱模型理论主要假设如下： ①忽略源接触电极与沟道源端之间、漏电极与沟道漏端之间的电压降； ②P+栅区与N型沟道区杂质分布都是均匀的，并且P+栅区浓度NA远远大于N型沟道区浓度ND，即栅结为单边突变结；③沟道中载流子迁移率为常数；④忽略沟道边缘扩展开的耗尽区，源极和漏极之间的电源只有y分量；⑤在栅结空间电荷区中•假定③排除了载流子速度饱和的可能，说明沟道夹断是造成电流饱和的原因只有对于沟道中场强很低的长沟道器件，这一假定才是合理的假定⑤使得在求栅PN结耗尽层宽度时，二维泊松方程化为一维的假定④使我们求解JFET的电流—电压方程时更加简单明了 8/4/202435半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•由于器件栅区结构的对称性，我们可以只讨论器件的上半部正常工作时，源极接地，栅极接负电位VGS，漏极接正电位VDS，坐标取向如图图中h1、h2分别是沟道源端和漏端处耗尽区的厚度 JFET上半部截面图 8/4/202436半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•I-V特性方程表达式为：其中，VP称为夹断电压，即当W2=a时的总电压(VDS+VG+Vbi)8/4/202437半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•I-V特性方程也可以表达为：其中， 　　　 即两个p＋n结之间形成的导电沟道之电导。

8/4/202438半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•注意到，I-V特性有两个不同的区域：① 当VDS很小时，沟道截面积基本与VDS无关，伏安特性是欧姆性或线性的称为线性区②当VDS >=VDSat 时，电流达到IDSat称为饱和区8/4/202439半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业①线性区： 漏电导（沟道电导）为： 跨导为： 8/4/202440半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业②饱和区：•理想情况下，IDsat不是VDS的函数，gD＝0实际上，随着VDS的增加，夹断点从漏向源端移动，有效沟道长度缩短，因此饱和区有非零的沟道电导•跨导为： 8/4/202441半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业3、直流参数（1）夹断电压VＰ 夹断电压是指使导电沟道消失所需加的栅源电压JFET沟道厚度随P＋N结耗尽层厚度扩展而变薄，当栅结上的外加反向偏压使P+N结耗尽层厚度等于沟道厚度一半（h=a）时，整个沟道被夹断，即8/4/202442半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•令 •Vp0表示沟道夹断时，栅结上的电压降，亦称为本征夹断电压，而Vp则为沟道夹断时所需加的栅源电压，称为夹断电压， 此处的负号表示栅结为反向偏置。

对于N沟JFET，Vp0，对于P沟JFET，Vp0由此可见，沟道中杂质浓度越高及原始沟道越厚，夹断电压也越高8/4/202443半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业（2）最大饱和漏极电流IDSS•IDSS是Vbi-VGS=0时的漏源饱和电流，又称最大漏源饱和电流 或由此可见，增大沟道厚度以及增加沟道的宽长比，可以增大JFET的最大漏极电流 8/4/202444半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业（3）最小沟道电阻Rmin• Rmin表示VGS=0、且VDS足够小，即器件工作性区时，漏源之间的沟道电阻，也称为导通电阻对于耗尽型器件，此时沟道电阻最小因而将VGS=0，VDS足够小时的导通电阻称为最小沟道电阻 8/4/202445半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•由于存在沟道体电阻，漏电流将在沟道电阻上产生压降漏极电流在Rmin上产生的压降称为导通沟道压降，Rmin越大，此导通压降越大，器件的耗散功率也越大•实际的JFET沟道导通电阻还它包括源、漏区及其欧姆接触电极所产生的串联电阻RS和RD它们的存在也将增大器件的耗散功率，所以功率JFET应设法减小Rmin、RS和RD，以改善器件的功率特性。

8/4/202446半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业（4）栅极截止电流IGSS和栅源输入电阻RGS•由于JFET的栅结总是处于反向偏置状态，因此，栅极截止电流就是PN结少子反向扩散电流、势垒区产生电流及表面漏电流的总和在平面型JFET中，一般表面漏电流较小，截止电流主要由反向扩散电流和势垒区产生电流构成其值在10-9－10-12A之间因此，栅源输入电阻相当高，其值在108Ω以上•但对功率器件而言，栅截止电流将大大增加这是因为功率器件漏源电压较高，沟道的电场强度较大，强电场将使漂移通过沟道的载流子获得足够高的能量去碰撞电离产生新的电子一空穴对，新产生的电子继续流向漏极使漏极电流倍增，而空穴则被负偏置的栅电极所收集，使栅极电流很快增长漏极电压愈高，漏端沟道电场愈强，沟道载流子在漏端产生碰撞电离的电离率愈大，碰撞电离产生出来的电子一空穴对愈多因此，在高漏源偏置的功率JFET中，栅极截止电流往往是很高的例如，当漏源电压VDS=10V时，栅电流维持在10-10A数量级；而当VDS=50V时，栅电流将增大6个数量级而上升到10-4A在短沟道器件中，由于沟道电场更强，更容易出现载流子倍增效应。

8/4/202447半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业（5）漏源击穿电压BVDS•在JFET中,漏端栅结所承受的反向电压最大在沟道较长器件中，当漏端栅结电压增加到PN结反向击穿电压时，漏端所加电压即为漏源击穿电压BVDS•根据定义，BVDS－VGS=BVB，因此，漏源击穿电压式中BVB—栅PN结反向击穿电压；VGS—栅源电压 8/4/202448半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业（6）输出功率PO•JFET的最大输出功率PO正比于器件所能容许的最大漏极电流IDmax和器件所能容许的最高漏源峰值电压（BVDS-VDSat），即输出功率：•可见，对于功率JFET来说，不仅要求其电流容量大，击穿电压高，且在最高工作电流下具有小的漏源饱和电压VDSat8/4/202449半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业4、交流小信号参数（1）跨导gm•跨导是场效应晶体管的一个重要参数它标志着栅极电压对漏极电流的控制能力跨导定义为漏源电压VDS一定时，漏极电流的微分增量与栅极电压的微分增量之比，即8/4/202450半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•非饱和区跨导 •饱和区跨导•可见，饱和区的跨导随栅压VGS上升而增大。

当VGS=Vbi时，跨导达其最大值由上式可见，器件的跨导与沟道的宽长比Z/L成正比，所以在设计器件时通常都是依靠调节沟道的宽长比来达到所需要的跨导值 8/4/202451半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业（2）漏电导漏电导gD •漏电导表示漏源电压VDS对漏电流的控制能力定义为栅压一定时，微分漏电流与微分漏电压之比，即漏电导 8/4/202452半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•非饱和区的漏电导非饱和区的漏电导•线性区漏电导线性区漏电导 上式说明JFET饱和区的跨导等于线性区的漏极电导8/4/202453半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•饱和区的漏电导饱和区的漏电导 理想情况下的漏电流与漏源电压VDS无关，饱和区的漏电导应等于零 但实际上，JFET工作在饱和区时，夹断区长度随VDS的增大而扩展，有效沟道长度则随VDS的增大而缩短，而沟道长度缩短必然使沟道电阻减小，因而漏电流将随漏源电压的增大而略有上升因此，实际JFET的漏电导并不为零沟道夹断后，若将漏区一夹断区一沟道区用单边突变结近似，其上压降为VDS －VDsat，因而夹断区长度 8/4/202454半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•实际上夹断区随VDS增大而向漏源两边扩展，若近似认为向源端扩展的长度为1/2 L，则有效沟道长度： 可见，在饱和区漏电导gDS不等于零，而是一有限值。

8/4/202455半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业5、沟道杂质任意分布时器件的伏安特性•实际JFET的栅结通常用扩散法或离子注入法形成，因此，沟道杂质分布一般都不是均匀的即使薄层外延沟道的MESFET，其沟道掺杂也不完全是均匀的下面将用电荷控制法分析杂质分布对漏特性的影响，并导出沟道杂质非均匀分布时电流—电压方程的近似表达式8/4/202456半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业其中 8/4/202457半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业6、高场迁移率的影响•以上讨论均认为沟道中载流子迁移率为常数然而在短沟道器件中，这个条件并不成立在现代JFET和MESFET中，沟道长度仅为12m，甚至更短，即使在只有几伏的漏源电压下，沟道中的平均场强也可达10KV/cm以上，靠近漏端的沟道中场强还远高于此值短沟道器件中的这种沟道电场将使器件的特性偏离肖克莱模型的结论下面主要讨论漂移速度随电场的变化对漏极电流和跨导的影响 8/4/202458半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•对于Si，当场强很小时，载流子的漂移速度随电场的增强而线性增大；电场继续增强，漂移速度的上升速度变慢；当电场增至约5×104V/cm时，漂移速度达饱和值VSL（8.5×106cm/s）。

而在GaAs和InP中，随着电场的增强，电子的漂移速度首先上升到一个峰值速度Vp，然后再下降并逐渐趋于一饱和值VSL(（6-8）×106cm/s)漂移速度的这种变化正说明载流子的迁移率在强电场下是一个与电场强度有关的变量•近似描述N型沟道中电子迁移率随电场变化的规律： 式中，NC一低场迁移率；EC一临界场强8/4/202459半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•可得到考虑迁移率随电场变化的漏极电流表达式： 又有临界场强EC=VSL/，则： 上式说明，强场使迁移率减小，导致漏极电流降至低场值ID的1/(1+VDS/LEC)另外，从上式还可以看出，沟道长度越短，器件的饱和漏极电流下降的幅度越大8/4/202460半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业7、频率特性（1）交流小信号等效电路•交流漏极电流 •此式说明，加在栅结上的信号电压vgs，通过改变栅结耗尽层宽度的变化来控制沟道厚度，从而控制沟道的导电能力，使漏极电流id随vgs的变化而变化8/4/202461半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•上面只考虑用栅极调制的沟道电阻，实际器件中，靠近源端和漏端存在串联电阻，这些电阻引起源漏接触电极和沟道之间产生电压降IR，可以认为中央区截面是“本征”JFET。

具有串联电阻的JFET端跨导和端沟道电导分别为 8/4/202462半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业（2）频率参数•JFET的频率参数主要有两个一个是特征频率fT，另一个是最高振荡频率fm①特征频率fT fT的定义为在共源等效电路中，在输出端短路条件下，通过输入电容的电流等于输出漏极电流时的频率也就是电流放大系数等于1时所对应的频率因此，fT也称为共源组态下的增益一带宽乘积 8/4/202463半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•由于gm和Cgs都随栅压变化，使得fT也随栅压改变当跨导达到最大值gmmax=G0，栅源输入电容达到最小值Cgsmin时，特征频率fT达到最大值，即 •可见，迁移率μ愈大，沟道长度愈短，则fT愈高 8/4/202464半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•但特征频率随沟道长度的缩短而提高并不是没有限制的一是渡越时间限制，因为载流子从源端到漏端需要一定的渡越时间，在弱场情况下，μ为常数，渡越时间•因此，由渡越时间τ大小决定的JFET的工作频率为渡越时间截止频率 •另一个限制是短沟道器件中载流子漂移速度达到饱和时的限制。

此时，τL/VSL，由此，得到 8/4/202465半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业② 最高振荡频率fm•fm的定义为当JFET输入和输出均共轭匹配时，共源功率增益为1时的频率可以证明 其中， 8/4/202466半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•由上面分析可见，器件的特征频率fT越高，最高振荡频率fm也越高而器件的频率特性由它自身的几何尺寸和材料参数决定另外，由于电子迁移率大于空穴迁移率，因此，不论是Si还是GaAs材料，微波器件都采用N沟FET的结构再由于GaAs材料中低场电子迁移率又比Si的低场迁移率大约高五倍，所以，GaAs器件的频率特性又优于Si器件要想得到高的fm，除了提高fT外，还必须使电阻比值r1达到最佳值，将寄生电阻RG、RS和反馈电容Cgd减到最小8/4/202467半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业8、饱和沟道电导和击穿电压•性区，漏电导比理想的要小，这是由于串联电阻造成的•在饱和区 电流恒定的近似是合理的，但实际上电流略微向上倾，即相应于非零沟道电导，这是由于有效沟道长度缩短随着漏源电压继续增加，最终导致器件进入雪崩击穿状态，这时器件上所加的漏端栅结上的反向偏置电压等于雪崩击穿电压BVB，此时的漏源电压称为漏源击穿电压BVDS，因而•显然，漏源击穿电压随栅源反偏电压的增大而减小。

8/4/202468半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业§4.5§4.5肖特基栅场效应晶体管肖特基栅场效应晶体管（（MESFETMESFET））•MESFET的工作原理与JFET相同，是用肖特基势垒金半接触代替JFET的PN结做栅电极，通过其耗尽层厚度改变来调制电流通道（导电沟道）的横截面，而且其电学性质与JFET相仿所以把它与JFET归为一类讨论GaAs MESFET最早在1966年发明，与JFET相比，MESFET在工艺制作和特性方面有某些优点金半接触势垒在低温下形成，而pn结要在高温下采用扩散或生长工艺制造，因此可以采用GaAs这样电子迁移率高和饱和速度大的化合物半导体材料，来得到开关速度快和使用频率高的器件GaAs与硅相比，电子迁移率大5倍，峰值漂移速度大一倍，所以GaAs MESFET在高频领域内得到广泛的应用它在工作频率、低噪声、高饱和电平、高可靠性等方面大大超过了硅微波双极晶体管，最高频率可达60GHz 8/4/202469半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业1、基本结构•在半绝缘衬底上的外延层上制成, 以减小寄生电容（沟道－衬底电容）和便于器件之间的隔离。

栅极金属一般用难熔金属（TiW合金）同时充当源漏接触区的掩膜，使源漏接触尽可能靠近栅极，以减小沟道两端的串联电阻 •沟道长度L，沟道宽度Z，沟道深度a 8/4/202470半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•器件类型及分类：•按沟道材料分为：n沟MESFET、p沟MESFET•按零栅压时器件的工作状态分为：耗尽型、增强型•耗尽型器件：栅压等于0时，已存在导电沟道的器件；（常开 NO）•增强型器件：栅压等于0时，不存在导电沟道的器件常闭NC） 8/4/202471半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业2、夹断电压和阈值电压•设n-GaAs层均匀掺杂，根据单边突变结p＋-n结的理论，肖特基结的耗尽层厚度为：•当h＝a时，势垒耗尽层边界和衬底接触，相应的总电势称为夹断电压 8/4/202472半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•忽略串联电阻作用，在沟道源端V(y=0)=0，使耗尽层边界和衬底接触的临界栅压为： VT=Vbi-Vp，或Vbi = VT＋Vp•其中，VT称为阈值电压只有VGS超过VT，器件才会有导电沟道，进入导通状态 •如果半导体n-GaAs层厚度a很小或掺杂很低，则VGS＝0时器件因自建电压Vbi的作用在源端夹断，而不存在导电沟道，只有在超过VT的正栅压下才能导通，称为增强型器件。

•如果a比较大或掺杂较高，VGS＝0时已经存在导电沟道，称为耗尽型器件，只有在比VT更负的栅压下才能截止8/4/202473半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业3、电流电压特性（1）恒定迁移率模型•假定VDS不是很高，沿沟道方向的电场强度处处低于速度饱和电场，电流和电压关系满足欧姆定律由此推导出漏电流的表达式： 其中 ，h1为沟道源端耗尽层厚度，h2为沟道漏端耗尽层厚度 8/4/202474半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•又可表达为： 其中， 这里考虑这里考虑MESFET只有上沟道，没有下沟道，只有上沟道，没有下沟道，因此因此Ip取取JFET的的1/2Ip8/4/202475半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•耗尽型和增强型器件的基本I-V特性相类似，主要区别在于阈值电压VT随VGS移动I-V特性分为：①线性区，VDS很小时，沟道截面积基本与VDS无关，I-V特性是欧姆性的或线性的；②饱和区，VDS>>VDsat时，电流达到饱和值IDsat③随着VDS的进一步增加，最终导致栅-沟道二极管发生雪崩击穿，IDS突然增大，称为雪崩击穿区8/4/202476半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业①线性区： 漏电导（沟道电导）为： 跨导为： 8/4/202477半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业②饱和区：•理想情况下，IDsat不是VDS的函数，gD＝0。

实际上，随着VDS的增加，夹断点从漏向源端移动，有效沟道长度缩短，因此饱和区有非零的沟道电导•跨导为： 8/4/202478半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业③雪崩击穿区：发生在沟道漏端，这里栅沟道结的反向电压最高，这时漏电压VDS和反向击穿电压VB有：VB＝VDS－VGS 8/4/202479半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业（2）饱和速度模型•FET的沟道长度减小到1μm以下，沿沟道的电场通常很强，以致漏极电流饱和，并非由于沟道夹断，而是因为电子漂移速度达到饱和•假定沟道电子以恒定的有效饱和漂移速度vSL运动（大约1.2×107cm/s），从而饱和电流直接受耗尽层厚度h和沟道深度a之差调制，这就是饱和速度模型，能精确描述栅长在0.5~2μm的短沟道GaAs MESFET在饱和区的电流特性 8/4/202480半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•对均匀掺杂材料，由速度饱和模型可得： 则器件的本征跨导为： 8/4/202481半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业4、MESFET I-V模型 （1）改进的I－V模型•电路模拟建立在IV模型，是在对沟道电荷统一描述的基础上的“普适”模型。

MOSFET、MESFET和HFET还需要考虑源、漏串联电阻对偏压的依赖关系，体电荷效应，平均低电场迁移率对偏压的依赖关系，参数对温度的关系等•短沟道的FET中，漏极偏压会影响器件的阈值电压，DIBL效应（简单的描述为 ，VT0为漏源电压为0时的阈值电压，σ为DIBL系数）GaAs MESFET具有许多非理想的特性，输出电导对频率的依赖，背栅和侧栅偏置，扭曲效应，光敏效应等，因此需要进一步研究半绝缘衬底，控制效应，可以提高集成规模和可靠性，增大设计的自由度 8/4/202482半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业（2）C－V模型•对FET的动态过程进行模拟，清楚器件中存贮电荷的变化，栅极和栅下面的耗尽层中贮存有电荷，只考虑与MESFET本征电荷相关的电容•源漏有偏压时，栅压的耗尽层电荷沿沟道分布不均匀因此栅和半导体之间的耦合电容存在一定分布，使沟道类似RC传输线，但由于栅很短，带宽有限，通常用集中电容模型描述本征器件的分布电容，有时候还要考虑与耗尽区扩展相关联的电容以及其它寄生电容等因素的影响•要得到本征MESFET电容的精确模型，需对耗尽电荷的空间分布随外加电压的变化进行分析，另外还需要对沟道电荷随之变化进行精确分析，电荷守恒的问题可通过沟道电荷在源漏端的分配自动解决。

关于完整的模型可见具体文献 8/4/202483半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业（3）SPICE中的MESFET模型•AIM－SPICE中MESFET模型参数例子： 栅长L，栅宽W，发射系数N，漏极电阻RD，源极电阻RS，饱和速度VS，低场迁移率，沟道厚度D，阈值电压VTO，膝形系数M，输出电导系数LAMBDA，DIBL系数1 SIGMAO，系数2 VSIGMAT，系数3 VSIGMA 8/4/202484半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业5、频率特性•截止频率fT定义为该频率下器件不再放大输入信号，这时输入栅电容的电流等于漏端输出电流 •输入电流为： •输出电流为： 由定义得： 则 其中CG＝CGS＋CGD，CGS是栅源之间的结电容，CGD是栅漏之间的结电容 8/4/202485半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•设栅沟道二极管的平均耗尽层厚度为a/2，则栅电容为：•提高截止频率应该有大的跨导gm和小的栅电容CG，即采用高载流子迁移率和短沟道长度的MESFET频率响应主要受两个因素限制：载流子渡越沟道时间和肖特基势垒栅的RC时间常数。

8/4/202486半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•其中，渡越时间其中Lg为栅长，μ0为恒定的低场迁移率，V0为外加漏源电压• 对短栅GaAs－MESFET，高电场下载流子速度 饱和，饱和漂移速度为vSL，则截止频率和渡越时间的关系： MESFET的高频限制与器件尺寸及材料参数有关，的高频限制与器件尺寸及材料参数有关，其中迁移率和栅长最重要其中迁移率和栅长最重要8/4/202487半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业6、大功率特性•一般微波晶体管主要指标是截止频率和噪声系数，功率晶体管主要指标是功率增益和效率最大可用功率增益为：其中f为工作频率，fT为截止频率，gd为漏电导，RS为源串联电阻，Ri为源漏间沟道电阻，LS为共源引线电感，CDS是米勒反馈电容8/4/202488半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•提高MESFET输出功率，有以下主要的工艺措施：①增加栅极宽度提高饱和漏电流②提高肖特基势垒栅的击穿电压，包括a选择外延的方法分别在源和漏引入低阻N＋接触层，b用双层外延制备高阻缓冲层，然后再外延高浓度有源层，c腐蚀凹栅③尽可能减小热阻④提高功率增益。

缩小栅长降低欧姆接触电阻和改善截止频率fT均可达到此目的8/4/202489半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业7、场效应晶体管结构举例（1）MESFET结构的发展过程 •MESFET的结构是逐步完善的,因而它的特性也是逐步提高的•MESFET的最初结构形式，器件的有源层直接生长在掺Cr的半绝缘GaAs衬底上，然后在有源层上分别制作肖特基结和欧姆接触由于有源层直接作在半绝缘衬底上，衬底上的缺陷直接影响器件特性，因此这种结构的噪声特性较差为克服这一缺点，后来就在有源层和衬底之间加入一层不掺杂的缓冲层，由于缓冲层减小了衬底缺陷对有源层的影响，所以器件噪声特性与增益均有所改善 8/4/202490半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业（2）GaAs MESFET结构•由于GaAs材料与Si材料相比，有以下几个优点：一是电子迁移率约高五倍；二是约两倍于Si饱和速度的峰值速度；三是衬底的半绝缘性以及可制作良好的肖特基结等所以，长期以来GaAs MESFET在高频高速器件中占据着重要地位3）JFET•因为PN结的自建势高于肖特基结，PN结的热稳定性也优于肖特基结因而JFET的逻辑摆幅大于MESFET，且抗噪声能力强。

所以，GaAs JFET可用于高速低功耗电路中8/4/202491半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业（4）V型槽JFET•V型槽JFET是一种非平面结构的场效应器件•首先在P+衬底上外延生长（100）的N型外延层，以形成P+N结；接着在N型层上扩散一薄N+层，形成漏源接触区然后采用各向异性腐蚀法，腐蚀出V型槽槽边与水平面成54.70因此，腐蚀深度随槽宽的不同而自动停止在不同的深度上两边的V型槽是用于沟道间相互隔离的隔离槽，中间的V型槽是沟道槽 •由于V型槽JFET的有效沟道长度远小于栅长L，因而其导通电阻变小，跨导增大器件工作在饱和区时，VFET的夹断点在靠近沟道的中点，而不在漏端，因此，V型槽JFET的器件性能优于平面JFET 8/4/202492半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业§4.6 §4.6 异质结异质结MESFETMESFET1．常规HFET•二维电子气（2DEG）：电子或空穴在平行于界面的平面内自由运动，而在垂直于界面的方向受到限制•材料：AlGaAs/GaAs,AlGaAs/GaInAs/GaAs,AlInAs/GaZnAs/InP,SiGe/Si等。

•新型的化合物FET，宽带隙器件，金刚石、ZnSe、SiC、GaNZnO等，以及异维器件（hetero dimensional devices）2D、3D，毫米波器件，高速超低功耗集成电路 8/4/202493半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业2．基本结构（1）用Ⅲ－Ⅴ族三元化合物Ga0.47In0.53As作有源沟道层的双异质结器件，用分子束外延技术将该半导体层生长在<100>方向的InP半绝缘衬底上，半导体层和InP衬底的晶格匹配良好，界面陷阱密度很低顶部的Al0.48In0.52As层和铝栅形成一个肖特基势垒ΦBn＝0.8V，沟道中的电子被限制在有源层Ga0.47In0.53As内由于有源层迁移率和峰值速度比GaAs高，所以能获得较高的跨导和较高的工作速度8/4/202494半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业（2）肖特基势垒接触做在宽禁带材料上，如AlxGa1-xAs，是用外延方法生长在较窄禁带材料（如GaAs）上，适当控制这两种半导体材料的禁带宽度和掺杂浓度，就能在两种半导体界面上形成一个反型层•所谓反型层，是一个少数载流子浓度高于平衡时的多子浓度的区域。

详细的将在MOS器件一章中讨论）因为反型层具有高电导率，所以从源到漏能通过大电流，当加上栅压时，反型层电导将受栅压调制而引起漏电流变化，其IV特性类似于耗尽型MESFET的IV特性•若窄禁带材料是低掺杂的，其反型层内的迁移率将很高，这既能提高跨导，又能提高器件的工作速度和截止频率8/4/202495半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业3．I-V模型 可与GaAs MESFET相似的过程建模4．C-V模型 同样类似于GaAs MESFET的C-V模型5．SPICE模型 一般以MOSFET模型来模拟HFET器件和 电路，比较精确8/4/202496半导体器件物理 中国科学技术大学物理系微电子专业•补充：1.当T=300K时，考虑以金作接触的n沟GaAs MESFET，假设势垒高度为0.89V，n沟道浓度为2×1015cm-3，沟道厚度为0.6μm，计算夹断电压和内建电势GaAs介电常数为12.4）2.若两n沟GaAs MESFET的势垒高度均为0.85V，器件1的沟道掺杂浓度为4.7×1016cm-3，器件2的沟道掺杂浓度为4.7×1017cm-3，计算出阈值电压为零时，两器件分别所需的沟道厚度。

8/4/202497半导体器件物理。