金属半导体场效应晶体管

Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor（MESFET）也称肖特基栅场效应管、金属半导体场效应管、GaAs MESFET

用金属半导体肖特基栅的耗尽层控制导电沟道、常用于化合物半导体高频器件的场效应晶体管。

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MESFET 把 JFET 的 PN 栅结换成肖特基栅，源漏仍是连接导电沟道的欧姆接触。它不靠 MOS 反型层形成沟道，但也没有绝缘栅允许的宽偏置范围；高频表现还受载流子速度、栅电容、接触电阻和表面效应共同限制。

系统理解

约 2 分钟

以 n 沟道 MESFET 为例，金属栅与半导体形成整流势垒，栅压改变耗尽层深度，从而控制中性沟道电荷。其低场静态行为与结型场效应管有相通模型，但肖特基势垒、化合物材料高场速度关系、表面状态和寄生网络会改变实际性能。短沟道电流饱和可以先由速度效应形成，不能一律解释为沟道已经完全夹断。

在 JFET 的耗尽控制与肖特基接触基础上，理解金属栅、化合物沟道及高频寄生的共同约束，再衔接 HEMT 等异质结构器件。

关键参数

关键参数
参数	单位	含义
肖特基势垒高度	eV	金属半导体整流接触的能带势垒参数，需与电势单位约定区分
跨导	S	固定漏偏置下漏电流对门源小信号电压的变化率
输入电容	F	在所用小信号模型中由栅控制端看到的电容
截止频率	Hz	指定小信号条件下电流增益达到1的频率

常见误区

MESFET 的金属栅就是 MOSFET 的绝缘金属栅。
肖特基势垒高度与沟道内建电势始终是同一个数。
达到电流饱和必然意味着漏端几何完全夹断。

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

肖特基栅与导电沟道

定义

MESFET 的栅是整流肖特基接触而非绝缘栅

MESFET 用金属与半导体形成的肖特基整流接触作为栅，控制沟道中的耗尽层。源漏采用欧姆接触，因此金属栅、欧姆源漏和 MOS 绝缘栅不能只因都含金属就视为同一种界面。^{1, 2}

成立条件 讨论常规MESFET结构。；整流栅的漏电与允许偏置由接触物理决定。

边界

势垒高度与沟道内建电势需要区分

肖特基势垒高度表征金属与半导体能带之间的势垒，而栅下沟道的内建电势还与半导体内费米能级相对带边的位置有关。不能在不说明单位和掺杂的情况下把两者直接设为相等。¹

成立条件 针对非简并均匀n型半导体的基本肖特基耗尽模型。；势垒若用eV表示，需先与电势V的定义协调。

机制

金属栅可降低部分栅形成工艺的热要求

与通过扩散、外延或注入退火形成 PN 栅结相比，肖特基金属栅的形成可以采用较低温度工艺，并能提供较低栅电阻。具体流程若还包括源漏注入激活，仍可能存在高温步骤。^{1, 2}

成立条件 比较的是栅形成步骤，不是声称整套MESFET流程都无高温。；金属需与后续工艺热预算相容。

高场输运与小信号

边界

材料低场迁移率不能单独决定高场器件速度

低场电流可用迁移率近似描述，但高场下载流子速度不再随电场无限线性增加。GaAs 等材料还可能出现速度峰值与随后下降，因此不能仅凭低场迁移率给出全部高频性能结论。^{1, 2}

成立条件 需区分材料、纵向电场和输运工作区。；稳态速度模型也不自动覆盖超短沟道的非平衡速度超越。

机制

速度限制可先于几何完全夹断产生饱和

短沟道内的电场可能使载流子速度先达到限制，电流便不再按低场恒迁移率模型增长。此时电流饱和可以在漏端沟道尚未几何完全耗尽前出现，不能把所有饱和都解释为夹断。^{1, 2}

成立条件 采用适合相应材料与场区的速度受限模型。；不把恒迁移率的VDS,sat公式直接用于所有短沟道器件。

定义

跨导是给定偏置附近的局部响应

跨导描述在漏偏置等条件固定时，漏电流对栅源小信号电压的变化率。它取决于工作点、沟道输运与耗尽控制；不应被当成不随偏置变化的常数。^{1, 2}

成立条件 讨论给定工作点附近的小信号线性化。；跨导正负与门电压符号约定一致，反偏幅值作变量时需转换。

公式

截止频率估算需匹配跨导和输入电容模型

忽略传播延迟及相应寄生反馈的简化小信号模型给出 fT≈gm/(2πCin)。Cin 必须使用该模型的总栅输入电容；只有另行忽略栅漏和外部寄生时，才能进一步只用栅源电容代替。^{1, 2}

f_T\approx\frac{g_m}{2\pi C_{\mathrm{in}}}

fT: 电流增益达到1的截止频率近似，单位 Hz
gm: 相同参考面的小信号跨导，单位 S
C_in: 简化模型的总栅输入电容，单位 F

成立条件 小信号工作点固定，采用适用的电流增益近似。；gm与Cin取自同一内在或外在参考面，不能任意混搭。；本式不自动等于最大功率增益频率。

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学假设：某MESFET简化内在小信号模型取gm=40.0 mS、Cin=0.200 pF，估算电流增益截止频率。

已知

gm=0.0400 S；Cin=2.00×10⁻¹³ F。
取同一工作点与内在参考面，忽略额外传播和反馈寄生。
数值是教学假设，不代表具体MESFET的测试结果。

步骤

2πC_in ≈ 1.25664×10⁻¹² F，先将皮法换为法拉。
fT ≈ 0.0400/(1.25664×10⁻¹²) Hz ≈ 3.18×10¹⁰ Hz，S/F等于s⁻¹。
fT ≈ 31.8 GHz，按输入有效位报告估算值。

结果简化模型估算fT约31.8 GHz。

提高跨导或减小同一模型的输入电容可提高该估算，但并非忽略寄生后的保证带宽。

不能外推到 不等于功率增益截止频率、整机带宽或可直接使用的放大器工作频率。

寄生、结构与可靠性

公式

源串联电阻会降低外部看到的跨导

源端串联电阻使漏电流变化反过来改变内部栅源电压。在忽略其他反馈的饱和区近似中，测得的外部跨导小于内在跨导，不能用两者混算高频指标。¹

g_{m,\mathrm{ext}}=\frac{g_m}{1+R_sg_m}

gm,ext: 外部参考面跨导，单位 S
gm: 内在跨导，单位 S
Rs: 源串联电阻，单位 Ω

成立条件 小信号饱和区模型，源串联电阻形成局部负反馈。；忽略有限输出电阻等其他反馈影响。

机制

T 形栅把短电学栅长与低栅电阻结合

T 形或蘑菇形栅采用较窄的底部控制电学沟道长度，较宽的顶部则降低栅电阻。其作用是同时处理沟道控制和金属电阻的不同几何需求，而不是把顶帽宽度当作沟道长度。¹

成立条件 讨论采用相应栅结构的高频MESFET。；具体性能还受电容、接触与加工误差影响。

边界

表面状态与门漏间距会改变 MESFET 高场分布

GaAs MESFET 的门漏间隙、表面状态和栅泄漏会改变局部电场及击穿过程。某些状态可能重新分配电场，但不能据此把表面陷阱一概当成有益的耐压设计。¹

成立条件 讨论具体MESFET材料与门漏几何。；不能把Si JFET的一维击穿趋势直接移植到GaAs MESFET。

机制

沟道掺杂分布可用于调节转移特性的线性度

在速度受限的相应模型中，改变沟道深度方向的掺杂分布，可使耗尽层深度随门压变化更弱，从而让饱和电流对门压的关系更接近线性。该结论需要连同输运模型使用。^{1, 2}

成立条件 讨论梯度或阶梯等适配的沟道掺杂，而非任意增大掺杂。；不能把速度受限模型中的线性化效果直接推广到恒迁移率模型。

边界

高电流、高耐压与高频目标之间存在设计约束

提高沟道电荷有利于输出电流，缩短栅长有利于部分速度指标，但耐压、电场控制和沟道深度约束会限制这些改变。MESFET 设计不能把高电流、高击穿与高频率当成可彼此独立无限提高的参数。¹

成立条件 比较同类材料与器件架构下的几何及掺杂设计。；具体数值取决于材料、热条件和实际工艺，不使用历史最高纪录作现行规格。

出处

2 本教材 · 19 处引用

1
Physics of Semiconductor Devices
S. M. Sze, Yiming Li, Kwok K. Ng · 第4版 · 2021
- §8.2.1，图2；PDF pp.785–786；印刷页未映射 支持：MESFET 的栅是整流肖特基接触而非绝缘栅
- §8.2.1，式3；PDF pp.788–789；印刷页未映射 支持：势垒高度与沟道内建电势需要区分
- §8.2及§8.2.4；PDF pp.784、821；印刷页未映射 支持：金属栅可降低部分栅形成工艺的热要求
- §8.2.1，图4及速度关系说明；PDF pp.793–795、801；印刷页未映射 支持：材料低场迁移率不能单独决定高场器件速度
- §8.2.1，式26后说明；PDF p.796；印刷页未映射 支持：速度限制可先于几何完全夹断产生饱和
- §8.2.1，式16、18、34；PDF pp.792、800；印刷页未映射 支持：跨导是给定偏置附近的局部响应
- §8.2.3，式56–58；PDF pp.814–815；印刷页未映射 支持：截止频率估算需匹配跨导和输入电容模型
- §8.2.3，式55；PDF pp.813–814；印刷页未映射 支持：源串联电阻会降低外部看到的跨导
- §8.2.4，图16及说明；PDF pp.822–823；印刷页未映射 支持：T 形栅把短电学栅长与低栅电阻结合
- §8.2.1，图8–9及击穿说明；PDF pp.804–807；印刷页未映射 支持：表面状态与门漏间距会改变 MESFET 高场分布
- §8.2.2，图10及说明；PDF pp.809–811；印刷页未映射 支持：沟道掺杂分布可用于调节转移特性的线性度
- §8.2.3，功率频率限制；PDF pp.817–818；印刷页未映射 支持：高电流、高耐压与高频目标之间存在设计约束
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2
The Physics of Semiconductors
Marius Grundmann
- §24.3；；PDF p.818，第 803 页 支持：MESFET 的栅是整流肖特基接触而非绝缘栅；金属栅可降低部分栅形成工艺的热要求
- §24.4.4，式24.50及非平衡速度说明；；PDF pp.824–826，第 809–811 页 支持：材料低场迁移率不能单独决定高场器件速度
- §24.4.4，图24.18及两区模型；；PDF p.825，第 810 页 支持：速度限制可先于几何完全夹断产生饱和
- §24.4.2、§24.4.4，式24.46、24.55；；PDF pp.823、826，第 808、811 页 支持：跨导是给定偏置附近的局部响应
- §24.4.5，式24.57；；PDF p.827，第 812 页 支持：截止频率估算需匹配跨导和输入电容模型
- §24.4.4，式24.54–24.55后说明；；PDF p.826，第 811 页 支持：沟道掺杂分布可用于调节转移特性的线性度
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关键参数

常见误区

肖特基栅与导电沟道

#MESFET 的栅是整流肖特基接触而非绝缘栅

#势垒高度与沟道内建电势需要区分

#金属栅可降低部分栅形成工艺的热要求

高场输运与小信号

#材料低场迁移率不能单独决定高场器件速度

#速度限制可先于几何完全夹断产生饱和

#跨导是给定偏置附近的局部响应

#截止频率估算需匹配跨导和输入电容模型

已知

步骤

寄生、结构与可靠性

#源串联电阻会降低外部看到的跨导

#T 形栅把短电学栅长与低栅电阻结合

#表面状态与门漏间距会改变 MESFET 高场分布

#沟道掺杂分布可用于调节转移特性的线性度

#高电流、高耐压与高频目标之间存在设计约束

Physics of Semiconductor Devices

The Physics of Semiconductors