實驗結果與討論

第五章 第五章 實驗結果與討論 實驗結果與討論 實驗結果與討論 實驗結果與討論

在這一章裡，將會量測Al0.3Ga0.7As/InxGa1-xAs/GaAs 異質結構場效 電晶體的特性。之後會討論元件特性，包括直流特性、射頻特性、功 率特性、雜訊特性以及溫度變化特性。

5 55

5- -- -1 11 1 在 在 在 在 300 K 的直流特性 的直流特性 的直流特性 的直流特性

對所有的元件來說，閘極的面積都為1.2×100µm²。而源極到汲極 的距離為10µm。之後所有元件的測量是使用 KEITHLEY4200 所完成 的。

5 55

5- -- -1 11 1- -- -1 11 1 電流 電流 電流-電壓特性 電流 電壓特性 電壓特性 電壓特性

圖 5-1、5-2、5-3 各代表在室溫下樣本 A、樣本 B、樣本 C 的汲 極電流密度相對於汲極-源極電壓的特性。顯然地，從所研究的元件 能發現好的夾止與飽和特性。由於 Al_0.3Ga_0.7As 位障層的高電阻率與 高能隙，所以能夠大大地減少電子進入緩衝層以及能抑制基座的漏電 流，而擁有優越的載子侷限能力與夾止特性。

0 1 2 3 4 5

Drain-Source Voltage (V)

0 50 100 150 200 250 300

Drain Current Density (mA/mm)

V_GS=1V -0.5V/step

圖5-1 樣本 A 在 300K 時，電流-電壓特性圖

0 1 2 3 4 5

Drain-Source Voltage (V)

0 50 100 150 200 250 300 350

D ra in C ur re nt D en si ty ( m A /m m )

V_GS=1V -0.5V/step

圖5-2 樣本 B 在 300K 時，電流-電壓特性圖

0 1 2 3

Drain-Source Voltage (V)

0 100 200 300 400

D ra in C ur re nt D en si ty ( m A /m m )

V_GS=1V -0.5V/step

圖5-3 樣本 C 在 300K 時，電流-電壓特性圖

5 55

5- -- -1 11 1- -- -2 22 2 外部轉導值特性 外部轉導值特性 外部轉導值特性 外部轉導值特性

圖5-4、5-5、5-6 各表示樣本 A、樣本 B、樣本 C 在 V_DS=3 V 下，

所量測到的閘極到源極電壓是以外部轉導值(g_m)與飽和汲極電流密度 (IDS)為函數所得到的。

圖5-4 樣本 A 在 VDS=3 V 下外部轉導值與飽和汲極電流密度的曲線圖

圖5-5 樣本 B 在 V_DS=3 V 下外部轉導值與飽和汲極電流密度的曲線圖

圖5-6 樣本 C 在 VDS=3 V 下外部轉導值與飽和汲極電流密度的曲線圖 在表 5-1 裡，能觀察到樣本 B 的 gm值大於樣本 A 以及樣本 C。

那是因為樣本 B 減少了雜質散射效應與增加在砷化銦鎵通道裡的電 子傳輸，所以g_m值才會比較大。

Sample A Sample B Sample C Idss (mA/mm) 99.9 193.6 167.9

I_d,max (mA/mm) 342 363 360

gm,max (mS/mm) 140 182 164

Vth(V) -1.05 -1.36 -1.30 GVS(V) 1.25 0.75 1.07

表5-1 三種元件的 gm.IDS.Vth以及GVS

而表 5-1 裡也列出了汲極到源極的飽和電流密度(I_dss)與最大飽和

此外，在這裡我們定義閘極偏壓擺幅與 I_DS 的操作區域為最大外 部轉導值下降10%的範圍。圖 5-7 為三種樣本的外部轉導值與汲極電 流密度的特性比較圖。顯然地，通道摻雜式結構表現出較大的閘極電 壓擺幅(GVS)與較好的線性度。這是因為在通道裡載子均勻分佈的原 因。當操作電壓固定為V_DS=3 V 時，樣本 A、樣本 B、樣本 C 相對應 的線性I_DS操作範圍分別是 175、152、170 mA/mm。

0 100 200 300 400

Drain current density (mA/mm)

0 40 80 120 160 200

Extrinsic Transconductance (mS/mm) ^{Sample A}_{Sample B}

Sample C

@V_DS=3V

圖5-7 為三種樣本的外部轉導值與汲極電流密度的特性曲線圖

5 55

5- -- -1 11 1- -- -3 33 3 兩端崩潰電壓特性 兩端崩潰電壓特性 兩端崩潰電壓特性 兩端崩潰電壓特性

圖 5-8 表示三種樣本在室溫下的兩端閘極-汲極崩潰電壓(BVGD) 與順向導通電壓(V_on)特性。當閘極電流與閘極寬度(I_G/W)值到達 1 mA/mm 時，定義閘極-汲極電壓為兩端崩潰電壓。

(a)

(b)

0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5

Gate-Drain Voltage (V)

0 0.25 0.5 0.75 1

Gata Current Density (mA/mm)

Sample A Sample B Sample C

圖5-8 在 300k 下，三種樣本的(a)兩端點崩潰電壓與(b)導通電壓的特 性比較圖

表5-2 三種樣本的兩端特性

表5-2 中可以發現樣本 A 有較高的閘極-汲極崩潰電壓與順向導通 電壓，這是因為在通道與閘極金屬間的摻雜通道沒有載子供應層的因 故。而從閘極漏電流形成兩個主要問題：

(1) 電子入射經由熱電子場發射效應(Thermionic-Field Emission)。

(2) 穿隧機制穿過蕭基閘極位障。

對於樣本 B 與 C 而言，上層的 δ-摻雜載子供應層可能造成蕭基 位障降低，而導致電子更容易從閘極穿透到通道，因此讓閘極漏電流 上升。

55 5

5- -- -1 11 1- -- -4 44 4 輸出傳導性 輸出傳導性 輸出傳導性 輸出傳導性

圖5-9、5-10、5-11 各表示每一種樣本的外部轉導值、輸出傳導值 與電壓增益特性。而本質電壓增益可以以下式表示：

d m o

m

v

g

r g g

A = ⋅ = (5.4)

Sample A Sample B Sample C BV_GD (V) 27.9 22 24.3 Turn-on (V) 1.2 0.95 1.0

Sample A Sample B Sample C

Drain Voltag (V)

0 40 80 120 160

Extrinsic transconductance(mS/mm) and Output conductance(mS/mm)

0

0 1 2 3 4

Drain Voltag (V)

0 40 80 120 160

Extrinsic transconductance(mS/mm) and Output conductance(mS/mm)

0

Drain Voltag (V)

0

E xt ri ns ic t ra ns co nd uc ta nc e( m S/ m m ) an d O ut pu t co nd uc ta nc e( m S/ m m )

0

55 5

2 (

_{GS GD}

)

0.1 1 10 100

0.1 1 10 100

Sample A Sample B Sample C

Input Power (dBm)

-10

Power Gain (dB) & Output Power (dBm)

0

Power Add Efficiency (%)

Pout Power Gain Power-Added Efficiency

圖5-16 當閘極面積為 1.2×200 μm²時，樣本B 的輸出功率、功率 增益和功率增加效能(P.A.E)與輸入功率相對比的特性曲線圖

圖5-17 當閘極面積為 1.2×200 μm²時，樣本C 的輸出功率、功率 增益和功率增加效能(P.A.E)與輸入功率相對比的特性曲線圖

-20 -16 -12 -8 -4 0 4

Input Power (dBm)

-5

Power Gain (dB) & Output Power (dBm)

0

Power Add Efficiency (%)

Pout

Power Gain Power-Added Efficiency

-20 -16 -12 -8 -4 0 4

Input Power (dBm)

-5

Power Gain (dB) & Output Power (dBm)

0

Power Add Efficiency (%)

Pout Power Gain Power-Added Efficiency

55 5

Associated gain(dB) 13.75 18.74 15.62

表5-6 在 2.4GHz 下，三種元件的雜訊特性

表 5-6 列出最小雜訊數值(NFmin)與相關增益與頻率相比照的值。

從方程式(12)得知，由於較高的 gm值，所以樣本 B 與 C 具有比樣本 A 低的 NF_min值。

Minimum Noise Figure (dB)

4 8 12 16 20

Associated Gain (dB)

NF_min = 1.33dB

Associated Gain = 13.75 dB

@ Frequency = 2.4 GHz

Minimum Noise Figure (dB)

4

Associated Gain (dB)

NFmin = 1.2dB

Associated Gain = 18.74 dB

@ Frequency = 2.4 GHz

Minimum Noise Figure (dB)

4

Associated Gain (dB)

NF_min = 1.29dB

Associated Gain = 15.62 dB

@ Frequency = 2.4 GHz

由於砷化銦鎵通道層沒有摻雜，因此當電子在此區域移動時並沒有雜

Gate Voltage (V)

0 40 80 120 160

E xt ri ns ic T ra ns co nd uc ta nc e (m A /m m )

0 100 200 300 400

Sa tu ra ti on F ra in C ur re nt D en si ty ( m A /m m )

300K

圖5-22 樣本 B 在 VDS=3 V，且溫度從 300K 到 450K 下，以外部轉導 值與飽和汲極電流密度和閘極到源極電壓相比較的特性曲線圖

圖5-23 樣本 C 在 VDS=3 V，且溫度從 300K 到 450K 下，以外部轉導 值與飽和汲極電流密度和閘極到源極電壓相比較的特性曲線圖

-2 -1 0 1 2

Gate Voltage (V)

0 40 80 120 160

Extrinsic Transconductance (mA/mm)

0 100 200 300

Saturation Frain Current Density (mA/mm)

300K

Gate Voltage (V)

0

Extrinsic Transconductance (mA/mm)

0 100 200 300 400

Saturation Frain Current Density (mA/mm)

300K

圖5-24 三種樣本的外部轉導值與溫度的關係圖

280 320 360 400 440 480

Temperature (K)

E xt ri ns ic T ra ns co nd uc ta nc e (m A /m m )

^{Sample A}

Sample B Sample C

圖5-26 三種樣本的臨限電壓與溫度的關係圖

280 320 360 400 440 480

Temperature (K)

-1.6 -1.4 -1.2 -1

T hr es ho ld V ol ta ge ( V )

Sample A

Sample A Sample B Sample C

Gate-Drain Voltage (V)

-1 -0.5 0 0.5 1

Gata Current Density (mA/mm)

300K

-30 -20 -10 0 10

Gate-Drain Voltage (V)

-1 -0.5 0 0.5

Gata Current Density (mA/mm)

300K

Gate-Drain Voltage (V)

-1 -0.5 0 0.5 1

Gata Current Density (mA/mm)

300K

5

0.1 1 10 100

(a)

(b)

圖5-33 當溫度從 300K 到 440K 時，三種元件的微波特性曲線圖 (a)fT (b) fmax

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在文檔中 雙δ-摻雜砷化鋁鎵/砷化銦鎵/砷化鎵通道摻雜式異質結構場效電晶體 (頁 37-66)