4-2-1 電流電壓特性
圖 4-1、4-2 以及 4-3 分別表示在室溫下樣本A 、樣本 B 以及樣本 C 典型 共源極的汲極電流密度(IDS)，和汲極-源極電壓(VDS)的關係。我們觀察閘極-源 極電壓(VGS)為 0.5V 到 -1.5V ，且每下降 0.5V 便作一次量測。圖 4-4 中則 比較了三個樣本的數據，且我們可以很明顯地看出樣本B 和樣本 C 有較好的夾 止特性。樣本C 有最佳的特性，因為硫化批覆層降低了蕭特基層的表面陷捕，
如此調變了空乏區深度也增加了有效通道寬度，所以元件的有效載子密度便被提 升了。
圖 4-1 300K 時，樣本 A 的電流電壓特性曲線圖
圖 4-2 300K 時，樣本 B 的電流電壓特性曲線圖
圖 4-3 300K 時，樣本 C 的電流電壓特性曲線圖
圖 4-4 300K 時，三個樣本的電流電壓特性比較圖
4-2-2 外部轉導特性
圖 4-5、4-6 以及 4-7 中分別顯示，樣本A 、樣本 B 以及樣本 C 在 VDS=3V 時，外部傳導(gm)以及飽合汲極電流(IDS)兩者對 VGS 的關係，而圖 4-8 則將三 圖綜合起來做比較。
圖 4-5 300K， VDS=3V 時，樣本 A 的外部傳導以及飽合汲極電流。
圖 4-6 300K， VDS=3V 時，樣本 B 的外部傳導以及飽合汲極電流。
圖 4-7 300K， VDS=3V 時，樣本 C 的外部傳導以及飽合汲極電流。
圖 4-8 300K， VDS=3V 時，三個樣本的外部傳導以及飽合汲極電流比較圖。
表 4-1 三個樣本的 gm ， IDS ， Vth 以及 GVS 。
表 4-1 中顯示飽合汲極-源極電流(Idss)和最大飽和汲極電流(Id,max)。我們可 以很明顯地看出樣本B 和樣本 C 的 gm值大於樣本A 。因為表面狀態的下降，
樣本B 和樣本 C 有較高的電流密度。
此外，我們以最大外值轉導下降百分之十的值定義閘極電壓擺動(GVS)和線 性IDS操作區。圖 4-9 顯示了外質轉導與汲極電流密度的關係。顯而易見地，當 VDS=3V 時，沒有 gm 峰值的樣本B 和樣本 C 比樣本 A 還要平坦，所以 GVS 以 及線性 IDS操作區域較樣本A 佳。三個樣本所對應的線性 IDS 工作區分別為 237.3、253.5、240.2 mA/mm 。
圖 4-9 300K 時，外部轉導與汲極電流密度的關係圖
圖 4-10 300K 時，三個樣本的崩潰電壓
表 4-2 中，樣本 B 和樣本C 的閘極-汲極崩潰電壓優於樣本 A ，是因為擁 有較高的蕭特基障礙高度。由於崩潰電壓與蕭特基障礙高度和表面漏電流有關，
所以具有硫化銨批覆層的樣本可以明顯地改善崩潰特性。
表 4-2 三個樣本的兩端特性
4-2-4 輸出電導特性
圖 4-11、4-12 以及 4-13 表示三個樣本的外質轉導、輸出電導以及電壓增益 與汲極電壓的關係。本質電壓增益的公式被定義如下：
d m o m
v g
r g g
A = • = (4-2)
圖 4-11 樣本A 的 gm 、 gd 以及 Av與汲極電壓的關係。
圖 4-12 樣本B 的 gm 、 gd以及 Av與汲極電壓的關係。
圖 4-13 樣本C 的 gm 、 gd 以及 Av與汲極電壓的關係。
在表 4-3 中為三個樣本在 VDS=3V 時量測的結果。因為表面陷捕減少，樣 本B 和樣本 C 的外部電導小於樣本 A ，而樣本 C 擁有高的輸出阻抗，故能達 到低的輸出電導以及高的電壓增益。在飽和區中，較低的輸出電導導致較高的輸 出阻抗，此為一優點，能使電壓增益上升以及降低了負載效應。
表 4-3 VDS=3V 時，三個樣本的 gm 、 gd 以及 Av。
4-3 射頻特性
圖 4-15 VDS=3V，閘極面積為 1.2×200 μm2時，樣本B 的 RF 特性。
圖 4-16 VDS=3V，閘極面積為 1.2×200 μm2時，樣本C 的 RF 特性。
在表 4-4 中概述了在 VDS=3V 時的 fT 和 fmax 。因為有硫化銨批覆層，樣
本C 擁有較高的 fT和fmax ，如此一來，表面鍵結以及相關聯的電容將被降低。
表 4-4 閘極面積為 1.2×200 μm2 時，三個樣本的 fT 和 fmax 。
4-4 功率特性
輸入直流功率與輸出交流功率成一比例，使用樣本功率測試系統來作量 測，其中源極與負載阻抗必需與兩對針腳吻合,並且以帶通濾波器結合功率檢測 器來得到基本的高頻特性。電源功率輸出效率(PAE)的式子如下：
(4-5)
在 2.4GHz 下，功率特性藉由微波的負載拉移被量測。圖 4-17、4-18 以 及 4-19 顯示，三個樣本在閘極面積為 1.2×200 μm2 時的輸出功率、功率增益，
以及 PAE 與輸入功率的關係，而表 4-5 中則概述了三個樣本在 VDS=3V 時 PAE 、輸出功率以及功率增益。在此表中，我們可以發現樣本Ｃ的三種特性都 是最佳的，這是由於它擁有最高的崩潰電壓。
圖 4-17 在 2.4GHz 時，樣本 A 的輸出功率、功率增益，以及 PAE 和輸入電壓的關係。
圖 4-18 在2.4GHz 時，樣本 B 的輸出功率、功率增益，以及 PAE 和輸入電壓的關係。
圖 4-19 在2.4GHz 時，樣本 C 的輸出功率、功率增益，以及 PAE 和輸入電壓的關係。
表 4-5 在 2.4GHz 時，三個樣本的功率特性。
4-5 失真與線性度
運用複合式操作頻率來增加傳輸能力的多通道傳輸，是常用於現代無線通訊 中典型的例子。然而，當系統的操作頻率超過兩個，且彼此鄰近時，即會造成互 調失真。在無線電收發機中，非線性的元件即會造成非線性的失真。元件非線性 的影響包括增益的壓縮以及互調失真[37]。
放大器中有兩個頻率分別為 f1
, f2 的入射信號，其輸出將會由 dc , f1, f2, 2f1, 2f2 , 3f1 , 3f2 , f1± f2 , 2f1± f2 和 2f2± f1 所構成。 2f1, 2f2 和 3f1, 3f2分別為第 二及第三諧波， f1± f2為二階交互調變項(f1 與 f2 的係數總和為 2 )， 2f1± f2 和 2f2± f1為三階交互調變項(f1 與 f2 的係數總和為 3 )。圖 4-20 為輸入與輸出的頻 譜。假設 f1 與 f2 之間的差異很小， 2f1– f2和 2f2– f1 會出現在 f1與 f2附近，而 對 f1 與 f2 原本的信號造成干擾 [38]。
圖 4-20 三階失真時雙通道的輸入與輸出頻譜。
“三階截斷點 IP3 ＂是個常用來量測三階互調失真的技術。如圖 4-21 所 示，當輸入功率逐漸上升時，基頻信號(f1)與三階互調信號(2f1– f2)會交於一點，
此點即為三階截斷點，對應於水平軸上稱為輸入三階截斷點(IIP3) ，而對應至 垂直軸上則稱之為輸出三階截斷點 (OIP3) [37]-[39] 。
圖 4-21 截斷點的示意圖
圖 4-23 300K 時，樣本 B 的輸出功率、三階截斷點以及 IMD3 對 輸入功率的特性曲線圖。
圖 4-24 300K 時，樣本 C 的輸出功率、三階截斷點以及 IMD3 對 輸入功率的特性曲線圖。
表 4-6 中顯示各個樣本的OIP3 與 IMD3 的數值，式子(4-6)與(4-7)可看出 OIP3、IMD3 與功率的關係。樣本 C 由於表面陷捕的減少，所以擁有較佳的 OIP3 和IMD3 值，因此元件的失真與線性度都能得到明顯地改善。
表 4-6 2.4GHz 時，各個樣本的 OIP3 值與 IMD3 值。
4-6 雜訊特性
圖 4-25、4-26 以及 4-27 中顯示，三個樣本在閘極面積為 1.2×200 μm2
時 的最小雜訊指數( NFmin)和電路增益對頻率的關係圖。在 1 到 8GHz 時，我們 使用 HP8970B 量測雜訊的特性。
轉導值會影響雜訊，當轉導值上升時雜訊會下降。然而，在最理想的偏壓條 件下，表面陷捕的下降會導致較大的汲極電流以及較高的轉導值，進而改善雜訊 特性。
圖 4-25 樣本A 的最低雜訊指數和電路增益對頻率的關係圖。
圖 4-26 樣本B 的最低雜訊指數和電路增益對頻率的關係圖。
圖 4-27 樣本C 的最低雜訊指數和電路增益對頻率的關係圖。
最小雜訊指數( NF
min )的方程式如下：
(4-8)
表 4-7 中展現了各個樣本在2.4GHz 時的最小雜訊指數以及電路增益。因為 批覆層可降低表面陷捕，所以樣本B 以及樣本 C 有較高的轉導，對應至式子(4-8) 可得知：擁有最高轉導值的樣本C，雜訊指數相對最小。
表 4-7 各個樣本在 2.4GHz 時的最小雜訊指數以及電路增益。
4-7 低頻雜訊特性
在微波應用中，低頻雜訊是定義元件位勢的一個重要的參數。低頻雜訊量測 是用來進一步地說明閃爍雜訊與各種狀況之間的關係，而此量測對半導體表面十 分敏感。我們以 Agilent 35670A 來放大汲極雜訊電壓，輸出端再以 BTA9812B 分析頻率範圍 1Hz 到 100KHz 之間的頻譜。在低頻雜訊量測時，我們將偏壓設 定在 VDS=3V 、IDS=100mA/mm ，如同主載低頻雜訊的一連串電阻，所以同一 個 IDS 偏壓點對於各種處理狀態前的低頻雜訊特性而言十分地重要。從圖 4-28 中我們可看到樣本B 與樣本 C 有著相似的 1/f 頻譜雜訊，因為有批覆層的存在，
使其改善了表面效應，進而擁有較一般標準樣本低的雜訊。
圖 4-28 三個樣本的 1/f 雜訊比較圖。
4-8 溫度變化特性
在 300K 以及 450K 時，我們量測每個樣本的外質轉導和崩潰電壓。
〈A〉外質轉導特性
圖 4-29、4-30、4-31 顯示，在 VDS=3V 時，不同溫度下三個樣本的外質轉 導與飽和汲極電流對 VGS的關係。溫度上升時，外質轉導的最大值會下降，這 是因為汲極電流密度下降 [40] 。圖 4-32 和圖 4-33 中分別顯示外質轉導與汲極 電流密度對溫度的關係，而圖 4-34 則描述了在 VDS=3V 時三個樣本的臨限電壓 對溫度的關係。
圖 4-29 300K 到 450K 時，樣本 A 的外質轉導和飽和汲極電流密度 對VGS的關係圖。
圖 4-30 300K 到 450K 時，樣本 B 的外質轉導和飽和汲極電流密度 對VGS的關係圖。
圖 4-29 300K 到 450K 時，樣本 C 的外質轉導和飽和汲極電流密度 對VGS的關係圖。
圖 4-32 各個樣本的外質轉導對溫度的關係。
圖 4-33 各個樣本的最大汲極電流密度對溫度的關係。
圖 4-34 各個樣本的臨限電壓對溫度的關係。
從表 4-8 中我們可以看出樣本 B 最大汲極電流密度的比值比較小；而樣本C 的臨界電壓對溫度較不敏感，這是由於硫化批覆層有較高的蕭特基障礙高度，而 使其有良好的閘極控制能力。
表 4-8 300K 到 450K 之間，各個樣本的 ID,max, gm,max 以及 Vth 。
〈B〉兩端崩潰電壓特性
圖 4-35、4-36 以及 4-37 中顯示三個樣本的兩端閘極-汲極崩潰電壓對溫度 的關係。溫度上升時，漏電流會跟著變大，進而造成崩潰電壓的下降。三個樣本 相較之下，因為樣本B 與樣本 C 有良好的蕭特基特性和載子侷限能力，使得逆
偏閘極漏電流較小，因此樣本B 與樣本 C 的崩潰電壓在溫度上升時不會改變地 如樣本 A 那麼劇烈。
圖 4-35 300K 到 450K 之間樣本 A 的兩端崩潰電壓與 VGS的關係圖。
圖 4-36 300K 到 450K 之間樣本 B 的兩端崩潰電壓與 VGS的關係圖。
圖 4-35 300K 到 450K 之間樣本 C 的兩端崩潰電壓與 VGS的關係圖。