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半导体开放世界

高电子迁移率晶体管

High Electron Mobility Transistor也称 HEMT、MODFET、TEGFET、高电子迁移率场效应晶体管

以异质界面的二维电子气作为沟道，通过栅电位控制源漏电流的场效应晶体管。

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速览

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以异质界面的二维电子气作为沟道，通过栅电位控制源漏电流的场效应晶体管。

系统理解

约 2 分钟

从经典AlGaAs/GaAs结构入手，HEMT把高质量界面电子沟道、供电子层和栅电极结合起来。低场电荷控制模型可以解释电流与跨导，但高场速度、源漏接触和寄生电容会限制实际性能。赝配和变质结构分别用受控应变或缓冲层过渡拓展材料选择，不保证天然无缺陷。

先理解异质界面电子气与面电荷，再学习栅控电流、高场限制和结构变体；GaN功率失效另沿既有可靠性路线学习。

关键参数

关键参数
参数单位含义
阈值电压V_TV确定零栅偏置时沟道状态及栅过驱动
跨导g_mS偏置点附近漏电流对栅源电压的变化率
等效电容C₀F/m²单位面积栅沟道电容

常见误区

  • HEMT不必然常开
  • 夹断不代表漏电流为零
  • 高迁移率不保证任意高频率

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

结构与栅控

定义

HEMT把异质界面电子气用作晶体管沟道

高电子迁移率晶体管利用异质结构中的二维电子气形成源漏之间的沟道，再由栅电位调节沟道电子数和电流。经典AlGaAs/GaAs调制掺杂结构把供电子的掺杂层与主要传输区域分开，而不是在均匀重掺杂体沟道中输运。12

成立条件 这里以n沟道AlGaAs/GaAs及其衍生结构为入门模型；HEMT是器件类别，不等同于某一种衬底、某一种栅材料或某一个迁移率数值

机制

栅压通过电容耦合改变沟道面电荷

在选定偏置区间内，栅电位经势垒层的电容耦合改变二维电子气面电荷；沿沟道的电位又会改变局部栅过驱动。因此源端与漏端的电子面密度不必相同。12

成立条件 连续沟道、渐变沟道近似；把等效单位面积电容视为常数的模型只适用于有限偏置区间

边界

常开与常关取决于阈值设计而不是HEMT名称

在零栅压下已有导电沟道的结构表现为耗尽型；若需要正的栅过驱动才建立电子沟道，则表现为增强型。势垒与掺杂设计会改变阈值，不能只看到HEMT名称就认定它必然常开或常关。12

成立条件 n沟道、以源极为参考说明阈值符号；实际可用栅压还受栅漏电、击穿及具体结构约束

机制

源漏接触与栅电阻仍是器件结构的一部分

高迁移率沟道仍需通过低电阻的源漏接触连接外电路；盖层、接触区及栅金属形状用于处理这些寄生因素。T形栅的加宽顶部用于减小栅电阻，不应误认为整个栅宽都等于控制沟道的短栅长。1

成立条件 典型化合物半导体HEMT工艺说明；接触形成方式随材料、结构及工艺变化，不把某一种合金或注入方案写成通用要求

电流模型与边界

公式

沟道电流取决于面电荷与漂移速度

在一维稳态沟道近似下，漏电流大小等于沟道宽度、电子面电荷大小和沿沟道漂移速度大小的乘积；只知道迁移率而不知道载流子数及速度，无法确定电流。1

ID=Wqns(x)v(x)I_D=Wq n_s(x)v(x)
I_D = Wq n_s(x)v(x)
I_D
漏电流大小，单位 A
W
沟道宽度，单位 m
q
元电荷大小，单位 C
n_s(x)
位置x的电子面密度，单位 m⁻²
v(x)
沿沟道漂移速度大小，单位 m/s

成立条件 n沟道，式中均取电流、电子电荷量及速度的大小；忽略栅漏电与沟道沿程产生复合；同一稳态电流贯穿沟道

公式

长沟道低场模型可由局部栅控电荷积分得到

若迁移率与等效栅沟道电容近似恒定，把局部沟道电荷与漂移电流沿沟道积分，可得到含漏压平方项的电流表达式。它是有条件的电荷控制模型，不是短栅高速HEMT的通用紧凑模型。1

ID=WμC0L[(VGS−VT)VDS−VDS22]I_D=\frac{W\mu C_0}{L}\left[(V_{\mathrm{GS}}-V_T)V_{\mathrm{DS}}-\frac{V_{\mathrm{DS}}^2}{2}\right]
I_D = (WμC₀/L)[(V_GS − V_T)V_DS − V_DS²/2]
I_D
漏电流大小，单位 A
W
沟道宽度，单位 m
L
栅下沟道长度，单位 m
μ
常数低场电子迁移率，单位 m²/(V·s)
C₀
单位面积等效栅沟道电容，单位 F/m²
V_GS
栅源电压，单位 V
V_T
阈值电压，单位 V
V_DS
漏源电压，单位 V

成立条件 渐变沟道、低场、长沟道、忽略源漏串联电阻及沟道长度调制；C₀为单位面积等效栅沟道电容，不是MOS氧化层电容；0 ≤ V_DS ≤ V_GS − V_T，且V_GS − V_T > 0

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学假设：μ = 0.50 m²/(V·s)、C₀ = 0.0040 F/m²、W/L = 100、V_GS − V_T = 0.20 V、V_DS = 0.020 V。比较完整低场式与忽略漏压平方项的结果。

已知

  1. 上述数值仅用于常迁移率教学模型，不是具体产品参数
  2. 长沟道、低场、忽略接触电阻；V_DS小于正栅过驱动
  3. 单位面积电容为F/m²，不能把整管电容F代入

步骤

  1. μC₀(W/L) = 0.50×0.0040×100 = 0.20 A/V²，先计算模型的电流系数并核对量纲。
  2. (V_GS − V_T)V_DS − V_DS²/2 = 0.20×0.020 − 0.020²/2 = 0.0038 V²，漏压平方项保留在括号内。
  3. I_D = 0.20×0.0038 = 0.00076 A = 0.76 mA，模型电流系数乘以电压平方得到电流。
  4. I_D,lin ≈ 0.20×0.20×0.020 = 0.00080 A = 0.80 mA，低漏压线性近似比完整低场式高约5.3%。
结果 完整低场式约0.76 mA；线性近似约0.80 mA，比前者高约5.3%。

即使V_DS仅为栅过驱动的十分之一，是否可忽略平方项也要结合容许误差判断。

不能外推到 不用于速度饱和、强短沟道、明显自热或接触电阻主导的器件。

机制

夹断限制电流增长而不代表整条沟道没有电流

在常迁移率模型中，漏端局部栅过驱动降到零时达到夹断条件，继续增大漏压不再按低漏压公式增加电流。夹断发生在漏端附近，不能解释为源漏电流立即变为零。1

成立条件 教材的渐变沟道常迁移率模型；仅解释夹断饱和，不把其偏压条件套给速度饱和占主导的短沟道器件

边界

高低场速度规律不同限制了迁移率的直接外推

低场下可用漂移速度与电场近似成正比的迁移率模型；高场时速度不再保持线性，电流可在经典夹断条件之前饱和。因此把低温低场迁移率的提升比例直接当作饱和电流或速度的提升比例并不可靠。1

成立条件 讨论存在速度非线性的高场工作区；低场迁移率、饱和速度与温度需分别表征

高频与结构选择

边界

高频性能还受栅长电容与电阻限制

高沟道迁移率为快速输运提供条件，但截止频率与最高振荡频率还受到栅长、栅沟道电容、接入电阻及其他寄生参数限制。比较高频性能时，不能只比较材料迁移率而忽略器件尺寸和等效电路。12

成立条件 同一高频指标、偏置与提取条件下比较；不把单个历史器件的频率数值当作整个技术类别的保证

边界

栅压过高可在势垒层打开低迁移率并联通道

提高正栅压并不保证有用二维沟道的跨导一直增大；在经典AlGaAs/GaAs结构中，势垒层自身可能开始导电，形成与界面沟道并联的较低迁移率通道。12

成立条件 讨论教材的AlGaAs/GaAs调制掺杂结构；出现并联通道的栅压与面密度取决于实际带阶、掺杂及层厚，不使用统一阈值

机制

PHEMT用受控应变沟道换取更深限制

赝配HEMT可用较低带隙的InGaAs沟道增加电子限制；在晶格失配结构中，应变层厚度受位错形成约束。把沟道加厚到失去赝配条件，可能用缺陷代价抵消预期输运收益。12

成立条件 以AlGaAs/InGaAs/GaAs赝配结构为例；临界厚度与组分、衬底、应变及生长条件相关，不给跨材料固定厚度

机制

MHEMT把晶格过渡放进缓冲层而非强迫全部有源层赝配

变质HEMT利用逐渐改变晶格常数的缓冲层实现衬底到有源材料的过渡；设计目标是把主要松弛缺陷限制在缓冲区，并保持有源界面足够平整。它与把薄应变沟道维持在临界厚度以内的赝配策略不同。12

成立条件 讨论教材的InAlAs/InGaAs与GaAs衬底示例；缺陷是否被限制、界面是否平整仍需实际结构表征，不以名称保证无缺陷

出处

2 本教材 · 19 处引用
  1. 1

    Physics of Semiconductor Devices

    S. M. Sze, Yiming Li, Kwok K. Ng · 第4版 · 2021

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  2. 2

    The Physics of Semiconductors

    Marius Grundmann

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