高电子迁移率晶体管课件.ppt

1、6 6 高电子迁移率晶体管（高电子迁移率晶体管（HEMTHEMT）本章内容本章内容2 1.1.HEMTHEMT的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理 2.2.HEMTHEMT基本特性基本特性 3.3.赝配高电子迁移率晶体管赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)(PHEMT)4.HEMT4.HEMT应用领域应用领域 6.16.1 HEMT HEMT的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理3HEMT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；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）AlGaA

2、s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HEMT的基本结构 6.16.1 HEMT HEMT的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理4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。这种2-DEG不仅迁移率很高，而且在极低温度下也不“冻结”（即不复合，因为电子与杂质中心在空间上是分隔开的），则HEMT有很好的低温性能,可用于低温研究工作(如分数量子Hall效应)中。异质结界面附近的另一层很薄的本征

3、层（i-AlGaAs），是用于避免势阱中2-DEG受到n-AlGaAs中电离杂质中心的影响，以进一步提高迁移率。6.16.1 HEMT HEMT的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理5HMET的能带图的能带图：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 6.16.1 HEMT HEMT的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理6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

4、为数百nm,掺杂浓度为 /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2-DEG,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。17101810 6.16.1 HEMT HEMT的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理7HEMT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

5、管(SDHT)等HEMT是利用具有很高迁移率的所谓二维电子气来导电的。6.26.2 HEMT HEMT的基本特性的基本特性81、电荷与电压的关系、电荷与电压的关系 022()dscFGDBnqqx xdxqqNEEVN:金属接触的势垒高度：所加栅压：异质结材料导带边的能量差：2DEG的费米势：控制层的介电常数BnGVcEFqE2 6.26.2 HEMT HEMT的基本特性的基本特性92、电流与电压的关系、电流与电压的关系1.长沟道：沟道电流为：此时，跨导为当 增加到 时,沟道夹断,即得到饱和电流：此时 跨导为222DSGSTDSDSZLddVV VVI2DSmZLddgVDSVDsatGSTV

6、VV222DsatGSTZdd LVVI2()()DSTmdd LZgVV 6.26.2 HEMT HEMT的基本特性的基本特性102、电流与电压的关系电流与电压的关系1、短沟道（L 1m）：沟道电流为：电流饱和区的跨导为2sDsatGSTZddvVVI2()smddZvg 6.26.2 HEMT HEMT的基本特性的基本特性11HMET的特点：的特点：u非常高的截止频率fT；u非常高的工作速度；u短沟道效应较小；u噪声性能好 6.36.3赝配高电子迁移率晶体管赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)(PHEMT)12PHEMT(Pseudomorphic HEMT)即赝配高电子迁移率晶体管。其主

7、要结构特点是用非掺杂的InGaAs层代替普通的HEMT中的非掺杂GaAs层作为2DEG沟道层；形成n-AlGaAs/i-InGaAs/i-GaAs的核心结构。PHEMT的基本结构以及其能带图6.36.3赝配高电子迁移率晶体管赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)(PHEMT)13PHEMT较之常规HEMT有以下优点：uInGaAs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7.41017cm2V-1S-1，后者为4.41017cm2V-1S-1，因此工作频率更高。uInGaAs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1.424eV

8、，InGaAs为0.75eV。uInGaAs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。u对InGaAs两侧调制掺杂，形成双调制掺杂PHEMT，双调制掺杂PHEMT的薄层载流子浓度是常规PHEMT的二倍，因此有非常高的电流处理能力。对于1m栅长的器件，在300K和77K下已分别达到430mA/mm和483mA/mm的水平。6.36.3赝配高电子迁移率晶体管赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)(PHEMT)14 双调制掺杂PHEMT能带图6.4 HEMT6.4 HEMT应用领域应用领域151.微波低噪声放大2.高速数字集成电路 3.高速静态随机存储器 4.低温电路 5.功率放大 6.微波震荡