第四章结型场效应晶体管(JFET).

第四章结型场效应晶体管（JFET）•结型场效应晶体管•GaAs-MESFET•HEMT1History•30年代，美国的J.E.Lilienfeld/O.Heil提出场效应晶体管的设想。•1952年，W.Shockley提出第一个现代场效应晶体管，即JFET。•1960MOSFET：Kahng和Atalla提出第一个MOS器件，栅长20微米，栅氧化层厚度100nm，铝栅电极，AL－SiO2－Si。•1972年，CMOS技术以低功耗等优点在大规模生产的LED电路中采用。•1980MODFET：调制掺杂型场效应晶体管，会是最快的场效应晶体管。•200115nmMOSFET：最先进的集成电路芯片的基本单元，可容纳1万亿以上的管子。通过加在半导体表面上的垂直电场来调制半导体的的现象称为场效应。场效应晶体管（FieldEffectTransistor，FET）是另一类重要的微电子器件。这是一种电压控制型多子导电器件，又称为单极型晶体管。这种器件与双极型晶体管相比，有以下优点：①输入阻抗高；②温度稳定性好；③噪声小；④大电流特性好；⑤无少子存储效应，开关速度高；⑥制造工艺简单；⑦各管之间存在天然隔离，适宜于制作VLSI。JFET和MESFET的工作原理相同。以JFET为例，用一个低掺杂的半导体作为导电沟道，在半导体的一侧或两侧制作PN结，并加上反向电压。利用PN结势垒区宽度随反向电压的变化而变化的特点来控制导电沟道的截面积，从而控制沟道的导电能力。两种FET的不同之处仅在于，JFET是利用PN结作为控制栅，而MESFET则是利用金-半结（肖特基势垒结）来作为控制栅。IGFET的工作原理略有不同，利用电场能来控制半导体的表面状态，从而控制沟道的导电能力。根据沟道导电类型的不同，每类FET又可分为N沟道器件和P沟道器件。J-FET的基本结构源、漏MESFET的基本结构————结型场效应晶体管(JFET)————基本性能基本结构,特性曲线,直流参数,小信号参数,频率参数,短沟道JFET,噪声特性,实际结构举例2☆JFET的基本结构和工作原理•n沟道JFET~衬底是低阻n型;2个对称的p+n结构成栅极;中间留有沟道(长为L,宽为W).•工作~[电压控制沟道的电阻]Rmin=L/[qμn·ND·2(a-x0)·W]在平衡(不加电压)时,沟道电阻最小;电压VDS和VGS都可改变栅结势垒宽度→改变沟道电阻→从而改变IDS.nP+P+SDGG2aLW3☆JFET的输出特性*在VGS=0和正常VDS时~线性电阻段(A点)→沟道夹断点(B点)→电流饱和段(C点).*在VDS较大时~漏端栅结雪崩击穿,源-漏击穿电压BVDS随着反向VGS的增大而下降.对应于D点.4VDSIDSIDsatVDSatVGS0VGS=0CBA夹断饱和击穿0(沟道夹断)GG-SD+BVDS电流饱和机理:①长沟道~沟道夹断;②短沟道~速度饱和.D☆JFET的转移特性*最大饱和漏极电流IDSS~G-S电压为0时,IDS≠0,而为IDSS.*夹断电压VP~当G-S电压为负(VGS0)时,沟道变窄;当VGS=VP时,沟道夹断,IDS=0.根据栅p-n结耗尽层厚度等于沟道宽度,得:VP≈-qNDa2/(2εε0)∝NDa2.*由输出特性曲线可以求得在某一定VDS时的转移特性曲线.☆JFET的代表符号:5VGSIDSIDSSVP0P沟耗尽型n沟耗尽型n沟增强型p沟增强型☆JFET的直流伏安特性*沟道夹断前的ID~在μn=常数和缓变沟道近似(GCA)下,有ID=G0{VDS-(2/3a)√2εε0/qND[(VDS+Vbi-VGS)3/2-(Vbi-VGS)3/2]},G0=2aWqμnND/L是冶金学结之间沟道的电导(不计耗尽层).*沟道夹断后的饱和电流IDsat~把饱和电压VDSat代入到ID,即得到IDsat=IDSS{1-3(Vbi-VGS)/VP0+2[(Vbi-VGS)/VP0]3/2}≈IDSS[1-(Vbi-VGS)/VP0]2.其中IDSS是最大饱和漏极电流,VP=Vbi-VP0≈-VP0是夹断电压.*线性区的ID~(VDSVbi-VGS)ID≈G0{1-[(Vbi-VGS)/VP0]1/2}VDS∝VDS.6JFET的直流伏安特性缓变沟道近似(GCA):①在栅结势垒中:认为主要是电场E(x)的作用,即有E(x)E(y),V/xV/y或2V/x22V/y2.这表明等位面在势垒中是⊥x方向的(与沟道平行),则沟道宽度沿y方向不变~缓变;于是栅结势垒宽度只受E(x)控制,求解其中的Poisson方程即可得到势垒宽度.②在沟道中:认为主要是电场E(y)的作用,即有E(y)E(x),V/yV/x或2V/y22V/x2.这表明沟道中的等位面是⊥y方向的~沟道宽度缓变;于是沟道电流主要受E(y)控制,有ID=A(y)qμnNDE(y).总之,GCA就是用两组相互垂直的等位面来描述E(x)和E(y)的作用,即是把E(x)和E(y)的作用分开来考虑:栅结势垒宽度只决定于E(x),沟道电流只决定于E(y).在夹断区,该近似不适用(因Ey不再缓变);对短沟道器件,该近似也不适用(GCA只适用于长沟道器件).JFET的输出电流ID的计算①计算沟道夹断前的ID~令μn=常数;根据GCA,由J(y)=(y)Ey=-(y)V(y)/y和栅结势垒厚度:xn(y)={2εε0[Vbi-VGS+V(y)]/(qND)}1/2有:ID=-qμnnEyA(y)=qμnND2W[a–xn(y)]V(y)/y=2qμnNDW[a–{2εε0[Vbi-VGS+V(y)]/(qND)}1/2]dV(y)/dy,积分(y=0~L,V=0~VDS),就得到I-V特性:ID=G0{VDS-(2/3a)[2εε0/qND]1/2[(VDS+Vbi-VGS)3/2-(Vbi-VGS)3/2]}G0=2aWqμnND/L是冶金学结之间沟道的电导(不计耗尽层)②S-D饱和电压VDSat•加有电压VDS时,VDS将在沟道各点产生不同的压降,则使栅p+-n结的耗尽层厚度沿着沟道变化;•当漏极端的沟道刚被夹断时的VDS,就是VDSat.•栅p+-n结的耗尽层厚度为xn={2εε0(Vbi–VGS+VDS)/(qND)}1/2则由xn=a即求得VDSat=(qNDa2/2εε0)-Vbi+VGS=VGS-VP可见:①当VGS=0时,VDSat也就是VP,沟道刚被夹断;负的VGS增大时,VDSat也相应变小.②VDSVDSat时,夹断区扩大,有效沟道缩短(其上的电压保持为VDSat),ID变化不大~为饱和电流Idsat③沟道夹断后的IDsat可把VDSat代入到上面ID表示式中来求得饱和电流:IDSat≈IDSS[1-(Vbi-VGS)/VP0]2,IDSat与VDS无关.其中最大饱和漏极电流IDSS（VGS＝0）IDSS=2a3Wq2μnND2/(6εε0L)=(2/3)(a/ρ)(W/L)VP0,夹断电压VP=Vbi-VP0≈-VP0.VP≈-qNDa2/(2εε0)讨论:⑴漏极电流ID与(W/L)成正比,则为了增大电流,常常是WL.⑵漏极电流ID与μn成正比.⑶在沟道夹断后,电流饱和,IDSat与VDS无关;但若考虑到有效沟道长度的调制效应,则电流并不饱和.⑷电流饱和的机理:对长沟道JFET,是在迁移率恒定下的沟道夹断;对短沟道JFET？☆JFET的直流参数:①夹断电压VP~主要与沟道掺杂浓度和原始沟道厚度有关.②最大饱和漏极电流IDSS~与沟道尺寸和掺杂浓度有关.③最小沟道电阻(导通电阻)Rmin~直接影响到器件的耗散功率.④栅极截止电流IGSS和栅源输入电阻RGS~IGSS就是栅p-n结的反向漏电流;则RGS很高.但IGSS比单个p-n结的反向漏电流要大.⑤栅源击穿电压BVDS~是漏端栅p-n结的反向击穿电压(=BV+VGS).⑥输出交流功率P0~与容许最大漏极电流和容许D-S最高峰值电压成比例:P0∝IDSS(BVDS-VDSat).7——输出交流信号功率P0的计算——8VDSIDIDSS0IDωtVDSatBVDSωtv0i0交流信号的最大幅度:V0≈(BVDS–VDsat)/2,i0≈IDSS/2.☆JFET的交流小信号参数①跨导gm~gm=ID/VGS](VDS=常数).非饱和区:gm=G0(1/VP0)1/2{(VDS+Vbi-VGS)1/2－(Vbi-VGS)1/2};在线性区gm∝VDS.饱和区:gmsat=G0{1－[(Vbi-VGS)/VP0]1/2};当VGS=Vbi时,gmsat最大(gmmax=G0=2aWqμnND/L).有效跨导:gmeff=gm/(1+gmRS).(串联电阻的存在)②漏电导gD~gD=ID/VDS](VGS=常数).非饱和区:gD=G0{1－[(Vbi-VGS+VDS)/VP0]1/2},在VDS很小时,得到线性区电导gDL=G0{1－[(Vbi-VGS)/VP0]1/2}=gmsat.饱和区:理想的电导=0;但实际上为一有限值.③有效漏导电gDeff~计入源和漏的串联电阻:gDeff=gD/[1+gD(RS+RD)].☆JFET的交流小信号等效电路——JFET的低频交流小信号等效电路本征晶体管+RS,RD.(本征晶体管:输入电流≈0;输出电流iD=gDvDS+gmvGS.)GDSSRSRDgDGmVGSvDSvGS~~~~~~~本征晶体管SDDGGgDp+p+nRSRDgD-110iDJFET的小信号高频等效电路*端电流~交流分量计入通过电容的位移电流：*等效电路中的元件~①栅-源电容Cgs:是栅结耗尽层电容;②栅-漏电容Cgd:是漏端的栅-漏之间的耗尽层电容(反馈电容);其作用是反映漏极与栅极之间的反馈作用.③栅电容Cg:是栅极下面的总电容(=Cgs+Cgd);④Cdc为饱和时,速度饱和区的静电偶极层电容⑤Cds:是引线和封装引入的寄生电容.⑥L:引线电感.一般，RG、Cdc、Cds都很小(Cgd往往也较小),而且也可略去电感,则可得到简化的高频等效电路.dtdVCRVVgigdgddsgdgsmddtdVCdtdVCigdgdgsgsg——JFET的高频交流小信号等效电路11↓GSSDS’LSLDLGRGRDRS2RS1RgsgD（本征晶体管）CdsCdcCgdCgsgmvgsG’D’S☆JFET的频率参数①特征频率(截止频率)fT~是共源、输出端短路、电流放大系数为1（即输入电流=输出电流)时的频率,也称为共源组态的增益-带宽乘积。∵ωTCgsvgs=gmvgs,∴fT=gm/2πCgs=1/2πτ.fT决定于栅极下的渡越时间τa)当栅压上升,使得gm最大(为G0)和Cgs最小时,则fT最大:fTmax=G0/2πCgsmin=(μ/2π)(VP0/L2).b)提高fT的措施:⒈增大跨导;⒉减小栅电容;⒊减短沟长,增大μ或vSL.12↓SCgd（vds）简化的小信号高频等效电路（vgs）GDSgmvgsgDCgs~~~~~例1：对n-沟Si-JFET,已知ND=1016cm-3,NA=1019cm-3,a=1μm,L=20μm,W=100μm,μn=1350cm2/V-s.计算夹断电压、VG=0时的夹断饱和电流和截止频率.解:夹断电压VP≈-qNDa2/(2εε0)=7.6V.最大饱和漏极电流：IDSS=2a3Wq2μnND2/(6εε0L)=6.4×10-3A,又Vbi=(kT/q)ln(NAND/ni2)=0.87V,所以：IDsat=1.56A.截止频率：fT=gm/2πCgs≤2a3qμnND/(πεε0L2)=3.3GHz.☆短沟道JFET的特性(1)高场迁移率的影响~在电场很强(10kV/cm)时,μ将随电场变化:μn=μ低/[1+(E/EC)].则使冶金沟道的电导由G0减低为G0’=G0/[1