微电子器件(5-1)[1].ppt

第5章半导体异质结器件半导体异质结可根据界面情况分成三种
晶格匹配突变异质结；当两种半导体的晶格常数近似相等时，即可认为构成了第一种异质结，这里所产生的界面能级很少，可以忽略不计。

晶格不匹配异质结；当晶格常数不等的两种半导体构成异质结时，可以认为在晶格失配所产生的附加能级均集中在界面上，而形成所谓界面态，这就是第二种异质结。

合金界面异质结。第三种异质结的界面认为是具有一点宽度的合金层，则界面的禁带宽度将缓慢变化，这时界面能级的影响也可以忽略。5.1.1半导体异质结的能带突变能带突变的应用例子：
（a）产生热电子
（b）使电子发生反射的势垒
（c）提供一定厚度和高度的势垒
（d）造成一点深度和宽度的势阱。不考虑界面态时，突变反型异质结能带图。
突变异质结是指从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生在几个原子距离范围内的半导体异质结。在未形成异质结前，p型半导体费米能级与n型半导体费米能级不在同一水平两块半导体材料交界处形成空间电荷区（即势垒区或耗尽层），n型半导体为正空间电荷区，p型半导体一边为负空间电荷区，因不考虑界面态，势垒区中正空间电荷数等于负空间电荷数。

两种半导体的导带底在交界面处的突变量为运用同质结一样的耗尽层近似，可以得出内建电势在P型区和N型区中的分量：耗尽层电容同理，可得突变同型异质结的能带图5.1.2半导体异质结伏安特性-qVn从N型区导带底到P型区导带底的势垒高度是从而求得电子的扩散电流密度能带图的不连续有助于从较大的禁带材料注入多数载流子而不论其掺杂密度如何。这也是异质结双极晶体管的基础。5.2高电子迁移率晶体管(HEMT)1、在GaAs衬底上采用MBE（分子束外延）等技术连续生长出高纯度的GaAs层和n型AlGaAs层；
2、然后进行台面腐蚀以隔离有源区；

一般该隔离层厚度取为7~10nm。既能保证高的2-DEG的面密度，又可降低杂质中心的Coulomb散射5.2.2HEMT的工作原理
栅电压可以控制三角型势阱的深度和宽度，从而可以改变2-DEG的浓度，以达到控制HEMT电流的目的。属于耗尽型工作模式。如果AlGaAs/GaAs异质结中存在缓变层，缓变层厚度WGR的增大将使2-DEG的势阱增宽，使势阱中电子的子能带降低，从而确定的Fermi能级下，2-DEG的浓度增大；但是，WGR的增大，使异质结的高度降低，又将使2-DEG的浓度减小。存在一个最佳的缓变层厚度，使2-DEG的浓度最大。对于不存在隔离层N-Al0.37Ga0.63As/GaAs异质结，计算给出2-DEG的浓度ns与AlGaAs中掺杂浓度ND和缓变层厚度WGR的关系如下所示。
5.2.3异质结界面的二维电子气
势能可由如下的泊松方程求解由高斯定律，表面电场Fs与表面载流子密度ns之间存在以下关系突变异质结构不同隔离层厚度di情况下二维电子气密度与GaAlAs掺杂浓度的关系缓变异质结构在不同未掺杂GaAlAs隔离层厚度di情况下二维电子气密度与GaAlAs掺杂浓度的关系
（实线对应于WGR=3nm,虚线对应于WGR=0nm）5.2.4HEMT的直流特性
金属-AlGaAs-GaAs结构在零偏及反偏的能带图。负栅压将降低二维电子气的浓度，正栅压将使二维电子气的浓度增加。二维电子气的浓度随栅压增加，直到GaAlAs的导带与电子气的费米能级交叠为止。如下图：HEMT的电流与电压关系阈值电压采用缓变沟道近似，则漏极电流沿沟道的分布可以表示为VDS较大时漏极电流将达到饱和下图中，虚线是计算结果，实线是测量结果。可见，在强电场下工作的耗尽型HEMT和增强型HEMT，都呈现出平方规律的饱和特性。即5.2.7HEMT的频率特性如图，迁移率作为电场的函数，随着温度T的升高是下降的，在300K时几乎与电场无关，而在低温、特别是在低电场时，迁移率随电场下降得很快（由于这时迁移率很高，电子迅速被“加热”而发射出极性光学波声子的缘故）。在GaAs/AlxGa1-xAs异质结中的2-DEG的迁移率，不仅与温度T有关，还与2-DEG浓度和组分x强烈相关，除此之外，还与异质结中的本征AlGaAs隔离层厚度d有关。对短沟HEMT，决定器件性能的因素往往不是低电场时的迁移率，而是高电场时的饱和速度vdsat图为电子速度与电场作用时间的关系输出短路时所以，对短栅情形，提高最高工作频率的措施是缩短沟道长度L
对长栅情形，提高高工作频率的措施也包括缩短沟道长度L，提高载流子迁移率，提高栅极电压，减小截止电压。5.3异质结双极晶体管(HBT)异质结双极晶体管(HeterojunctionBipolarTransistor——HBT)HBT是由禁带宽度较大(大于基区的禁带宽度)的半导体作为发射区的一种BJT，即采用异质发射结的双极型晶体管。这种异质发射结注入电子的效率很