第五章 电子器件.ppt

CMOS有低功率消耗及高器件密度的优点，使其适用于复杂电路的制作．然而与双极型技术相比，CMOS的低电流驱动能力限制了其在电路上的表现． BiCMOS是将CMOS及双极型器件整合在同一芯片上的技术．其基本思想是以CMOS器件为主要单元电路，而在要求驱动大电容负载之处加入双极器件或电路。 BiCMOS电路包含了大部分的CMOS器件以及少部分的双极型器件，它综合了双极器件高跨导、强负载驱动能力和CMOS器件高集成度、低功耗的优点，使其互相取长补短，发挥各自优势，给高速、高集成度、高性能的LSI及VLSI的发展开辟了一条新的道路．然而，这需增加额外的制作复杂度、较长的制作时间及较高的费用． CMOS与双极型CMOS(BiCMOS) 双极型CMOS（BiCMOS） MOSFET及相关器件 HEMT 一.HEMT简介 HEMT，高电子迁移率晶体管是一种异质结场效应晶体管，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管 (SDHT)等。这种器件及其集成电路都能够工作于超高频（毫米波）、超高速领域，原因就在于它是利用具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的。 MOSFET及相关器件 二.两种体系的HEMT 以 GaAs 或者 GaN 制备的高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistors）以及赝配高电子迁移率晶体管（Pseudo orphic HEMT）被普遍认为是最有发展前途的高速电子器件之一。 由于此类器件所具有超高速、低功耗、低噪声的特点(尤其在低温下)，极大地满足超高速计算机及信号处理、卫星通信等用途上的特殊需求，故而 HEMT 器件受到广泛的重视。 作为新一代微波及毫米波器件,HEMT 器件无论是在频率、增益还是在效率方面都表现出无与伦比的优势. 经过 10 多年的发展,HEMT 已经具备了优异的微波、毫米波特性,已成为 2～100 GHz 的卫星通信、射电天文、电子战等领域中的微波毫米波低噪声放大器的主要器件。同时他也是用来制作微波混频器、振荡器和宽带行波放大器的核心部件。 MOSFET及相关器件 禁带宽度大、热导率大、介电常数小、饱和电子漂移速度高、击穿电场强度高、高抗辐射能力等特点。 MOSFET及相关器件 HEMT是通过栅极下面的肖特基势垒来控制GaAs/AlGaAs异质结中的2DEG的浓度实现控制电流的。栅电压可以改变三角形势阱的深度和宽度，从而可以改变2DEG的浓度，所以能控制HEMT的漏极电流。由于2DEG与处在AlGaAs层中的杂质中心在空间上是分离的，则不受电离杂质散射的影响，所以迁移率很高。 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⊿Ec，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 当势阱较深时，电子基本上被限制在势阱宽度所决定的薄层内，称之为二维电子气（2DEG）。 2DEG是指电子（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。 MOSFET及相关器件 2.GaN体系HEMT HEMT是通过栅极下面的肖特基(Schottky)势垒来控制AlGaN／GaN异质结中的2DEG的浓度而实现对电流的控制。 栅极下面的A1GaN层，由于Schottky势垒的作用和电子向未掺杂GaN层转移，将全部耗尽。转移到未掺杂GaN层去的电子即在异质结界面处三角形势阱中形成2DEG；这些2DEG与处在AlGaN层中的杂质中心在空问上是分离的，不受电离杂质的影响，从而迁移率很高。 MOSFET及相关器件 HEMT的关键是掺杂层和沟道层间的异质结。传统的GaAs或InP基HEMT，掺杂层是n型掺杂，施主是2DEG的主要来源。异质结处存在导带差，驱使电子从掺杂层进入到沟道层，并将电子限制在沟道层内距异质结处几纳米范围内，形成2DEG。高2DEG而密度是HEMT设计的目标。 在GaN基HEMT中，除去导带差异因素外，AIGaN和GaN的极化效应也能生成2DEG。 2DEG中的电子有三个主要来源： (1)从掺杂AIGaN层转移的电子； (2)GaN沟道层中杂质的贡献； (3)由极化效应诱生的上述来源的电子。 AlGaN／GaN界面处2DEG的面电子密度 既取决于导带不连续程度和异质结构的人 为掺杂，又受到压电和自发极化效应的影响。 GaN体系HEMT中2DEG的来源 一、表面耗尽区：下图为p型半导体表面更为详细的能带图