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1、MESFET具有与MOSFET相似的电流-电压特性。然而在器件的栅电极部分，MESFET利用金属-半导体的整流接触取代了MOSFET的MOS结构；而在源极与漏极部分，MESFET以欧姆接触取代MOSFET中的p-n结。,MESFET金半场效应晶体管,MESFET与其他的场效应器件一样，在高电流时具有负的温度系数，即随着温度的升高电流反而下降。因此即使是使用大尺寸的有源器件或将许多器件并接使用时，仍可维持热稳定。此外，由于MESFET可用GaAs、InP等具有高电子迁移率的化合物半导体制造，因此具有比硅基MOSFET高的开关速度与截止频率。,MESFET结构的基础在于金半接触，在电特性上它相当于
2、单边突变的p-n结，然而在工作时，它具有多数载流子器件所享有的快速响应。,MESFET,金-半接触可分为两种形式：整流性与非整流的欧姆性。 右上图即为一金-半接触的结构示意图。,右下图所示为一独立金属和一独立n型半导体的能带图。值得注意的是，一般金属的功函数qm并不同于半导体的功函数qs。功函数定义为费米能级和真空能级之差。图中也标示了电子亲和力q，它是半导体导带端与真空能级的能量差。,基本特性,金属-半导体接触,肖特基势垒指一具有大的势垒高度(即Bn或BpkT)，以及掺杂浓度比导带或价带上态密度低的金属-半导体接触。,肖特基势垒中，电流的传导主要由多数载流子来完成，这与由少数载流子来进行电流
3、传导的p-n结不同。对工作在适当温度(如300K)下的肖特基二极管而言，其主要传导机制是半导体中多数载流子的热电子发射越过电势势垒而进入金属中。,肖特基势垒,金属-半导体接触,在热电子发射的情形下，金属-半导体接触的电流-电压特性可以表示为,其中Js为饱和电流密度，而外加电压V在正向偏压的情况下为正，反向偏压时则为负。,右图为两肖持基二极管实验所得的I-V特性。将正向I-V曲线延伸至V=0，可以获得Js，由上式即可求得势垒高度。,金属-半导体接触,除了多数载流子(电子)电流外，金属与n型半导体接触也存有少数载流子(空穴)电流，它是由金属中的空穴注入半导体所产生。空穴的注入与p+-n结的情况相同
4、。其电流密度为,在正常工作情况下，少数载流子电流大小比多数载流子电流少了几个数量级。因此，肖特基二极管被视为单极性器件，亦即主要由一种载流子来主导导通的过程。,金属-半导体接触,当金属-半导体接触的接触电阻相对于半导体主体或串联电阻可以忽略不计时，则可被定义为欧姆接触。良好的欧姆接触并不会严重降低器件的性能，并且当通过所需电流时所产生的电压降比降落于器件有源区的电压降还要小。,欧姆接触的一个指标为特定接触电阻Rc，其定义为,对于低掺杂浓度的金属-半导体接触而言，热电子发射电流在电流的传导中占有主要的地位，,可见，为了获得较小的RC，应该使用具有较低势垒高度的金属-半导体接触。,欧姆接触 (oh
5、mic contact)：,金属-半导体接触,相反地，若结有很高的掺杂浓度，则势垒宽度将变得很窄，且此时隧穿电流成为主要的传导电流。高掺杂浓度下的特定接触电阻可表示为,其中,可见，在隧穿范围内特定接触电阻与杂质浓度强烈相关，并且以 为因子成指数变化。,金属-半导体接触,MESFET共具有三个金属-半导体接触，一个肖持基接触作为栅极以及两个当作源极与漏极的欧姆接触。,器件结构 ：,图(a)所示为MESFET的透视图。主要的器件参数包含栅极长度L、栅极宽度Z以及外延层厚度a。 大部分的MESFET是用n型-V族化合物半导体制成的(如砷化镓)，因为它们具有较高的电子迁移率，可以减小串联电阻并且具有较
6、高的饱和速度而使得截止频率增高。,金半场效应晶体管(MESFET),实际制造的MESFET通常在半绝缘衬底上生长一外延层以减少寄生电容。通常以栅极尺寸来叙述一个MESFET。若栅极长度(L)为0.5m，栅极宽度(Z)为300m，则称之为0.5m300m的器件。,对传统微波或毫米波器件而言，其栅极长度通常是在0.1m-1.0m的范围内。传统外延层厚度a则约为栅极长度的1/3-1/5。而电极间距约是栅极长度的l/4。电流操控能力直接正比于栅极宽度Z，因为沟道电流的截面积与Z成正比。,金半场效应晶体管(MESFET),当VDVDsat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
7、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。,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。,金半场效应晶体管(MESFET),耗尽型和增强型器件的基本电流-电压特性是相似的。主要的差别在于阈值电压沿着VG轴的偏移。,对MESFET的高频应用而言，有一重要指标为截止频率fT，也就是MESFET无法再将输入信号放大时的频率，且,上述推导基本上是假设沟道中载流子的迁移率为一定值，与外加电场无关。然而，对相当高频的工作状态而言，由源极指向漏极
8、的电场，是大到足以使载流子以其饱和速度进行传导的。在这样的情形下的截止频率为,可见，欲改善高频性能，必须使用具有较高载流子迁移率与较短沟道长度的MESFET。这就是为何具有较高电子迁移率的n沟道MESFET具有较佳性能的原因。,电流-电压特性,金半场效应晶体管(MESFET),因此，要增加fT，必须缩小栅极长度以及使用高速度的半导体。,调制掺杂场效应晶体管为异质结构的场效应器件，又称为高电子迁移率晶体管、二维电子气场效应晶体管以及选择性掺杂异质结构晶体管。通常通称为异质结场效应晶体管。右图为传统MODFET的透视图，其特征是栅极下方的异质结结构以及调制掺杂层。,对于图中的器件来说，A1GaAs
9、为一宽禁带半导体，而GaAs则为窄禁带半导体。 这两种半导体是被调制掺杂的，也就是说，除了在极窄的区域d0中并无掺杂外，A1GaAs是被掺杂的，而GaAs则末被掺杂。 A1GaAs中的电子将扩散到无掺杂的GaAs中，而在GaAs表面形成一导通的沟道。,调制掺杂场效应晶体管 (MODFET),下图同时显示了三种不同的MODFET和GaAs MESFET。传统的A1GaAs-GaAs MODFET的fT约比GaAs MESFET高30。而对微晶的Si-SiGe MODFET而言，则是fT可与GaAs MODFET相比的最佳器件。,SiGe MODFET相当具有吸引力，因为它可以利用现有的硅晶片厂去
10、制作。 至于更高的截止频率，可在InP衬底上制作Ga0.47In0.53As MODFET。其优越的表现主要是由于在Ga0.47In0.53As中的高电子迁移率以及较高的平均速度和峰值速度。预期当栅极长度为50nm时，其fT可高达600GHz。,调制掺杂场效应晶体管 (MODFET),微波二极管量子效应器件热电子器件,光电器件,本节内容,基本微波技术 隧道二极管 碰撞电离雪崩渡越时间二极管转移电子器件量子效应器件热电子器件,辐射跃迁与光的吸收 发光二极管 半导体激光光探测器太阳能电池,微波频率涵盖约从0.1GHz到3000GHz，相当于波长从300cm到0.01cm。,一般电子部件在微波频率与
11、其在较低频率的工作行为是不同的。在微波频率时，需将分布效应列入考虑，因为在这些频率，波长约与部件的实际大小相当。例如，在微波频率下，一个薄膜电阻器看起来像一个具有连续L、C和不同R值的复杂RLC电路。 这些分布式部件，虽然在较低频率下可以忽视，但在微波频率下却有重要影响。在微波频率，电容与电感常被看作为输运线的一部分。 输运线也常被用作微波电路的互连线。输运线实际上是一个由电阻、电容、电感三种等效基本电路部件所组成的复杂网络。 平面输运线是现代微波电路技术的主流。此输运线由位于表面接地的薄膜介电层衬底上的一个或多个平面导体所组成。,基本微波技术,隧道二极管与量子隧穿现象息息相关，因为穿越器件的
12、隧穿时间非常短，故可应用于毫米波区域，且因为隧道二极管为相当成熟的技术，因此常被应用于特定的低功率微波器件，如局部震荡器和锁频电路,隧道二极管是由一简单的p-n结所组成，而且p型和n型都是重掺杂半导体。下图显示在四个不同电压条件下，隧道二极管的典型静态电流-电压特性。此电流-电压特性是由隧穿电流与热电流两个成分所合成的结果。,隧道二极管,隧道二极管,在正向偏压时，当电压增加，隧穿电流会从零增加到一峰值电流Ip，随着更进一步地增加电压，电流开始减少；当V=Vp+Vn时，电流减至一最小值。如图，在达到峰值电流后减少的部分是负微分电阻区。峰值电流Ip与谷底电流Iv之值决定负电阻的大小。因此，Ip/I
13、v之比被当作是衡量隧道二极管好坏的一个指标。,电流-电压特性的实验式为,式中第一项为隧穿电流，Ip和Vp各自是峰值电流和峰值电压，第二项为一般热电流。,隧道二极管,碰撞电离雪崩渡越时间(IMPATT) 是利用雪崩倍增和半导体器件的渡越时间特性来产生在微波频率时的负电阻。IMPATT是最具威力的微波功率固态源之一。目前，在毫米波频率超过30GHz时，IMPATT可以产生所有固态器件中最高的连续波(CW)功率输出。IMPATT被广泛使用在雷达系统与警报系统上。弱点：因雪崩倍增过程的不规律变动所引起的噪声甚高。,几种常见器件结构：,碰撞电离雪崩渡越时间二极管家族包括很多不同的p-n结和金属-半导体器
14、件。第一个IMPATT震荡是从固定微波腔里的简单p-n结二极管加以反向偏压使其雪崩击穿而得到的。,碰撞电离雪崩渡越时间二极管,右图显示掺杂分布和一个单边突变p-n结在雪崩击穿时的电场分布。由于电场对电离率有很强的影响，因此大部分的击穿倍增过程发生在0和xA之间的最大电场附近的狭窄区域(斜阴影面积)。xA是雪崩区域的宽度，在这宽度内有超过95的电离发生。,碰撞电离雪崩渡越时间二极管,人们发现，当一个超过每厘米几千伏临界值的直流电场外加在一个短的n型砷化镓或磷化砷的样品上，就会有微波的输出产生，这就是转移电子器件(TED)。,转移电子器件是一个重要的微波器件。它已被广泛用作局部震荡器和功率放大器，
15、且所涵盖微波频率从1GHz到150GHz。虽然转移电子器件的功率输出和效率一般都比IMPATT器件还低。然而，TED却有较低的噪声、较低的工作电压和相对较容易的电路设计。TED技术已趋成熟，且已成为探测系统、远程控制和微波测试仪器上所使用的重要固态微波源。,转移电子器件(TED),负微分电阻 (NDR) ：,转移电子效应，即传导电子从高迁移率的能量谷转移到低迁移率、较高能量的卫星谷的效应，如图。若1Ea大于2Eb，在Ea和Eb之间会有一负微分电阻区域(ET到EV)，ET和JT分别表示NDR开始的临界电场和临界电流密度，EV和JV则表示谷电场和谷电流密度。,转移电子器件(TED),TED需要非常纯且均匀的材料，还要有最少的深能级杂质与缺陷。现在的TED几乎都用各种外延技术，在衬底上淀积外延层。典型的施主浓度范围是从1014cm-3到1016cm-3，且典型的器件长度范围是从几毫米到几百毫米。,右图显示，一个在n+衬底上有一n型外延层和一个连接到阴极电极的n+欧姆接触的TED以及平衡时的能带图和外加V=3VT的电压于此器件时的电场分布图，此VT是临界电场ET和器件长度L的乘积。对于这样的一个欧姆接触，在靠近阴极附近总是有一低场区域，且作用在器件长度上的场并不均匀。,
