半导体器件与工艺(5)

第五章JFET哈尔滨工程大学微电子学半导体器件与工艺JFET的结构图为N型沟道JFET的结构示意图。在N型半导体的上下两侧各有一个高掺杂的区，形成上下两个结，通常称之为栅PN结或栅结：N区两端各做欧姆接触，从其上引出的电极分别称为源极(S)和漏极(D)；上下区表面也做欧姆接触，引出的电极称为栅极(G),大多数JFET的上下栅极是连在一起的,因此JFET实际上只有三个引出端。JFET结构图中的N区为JFET导电沟道区，漏源电流就是由N区的沟道电导决定的。沟道电导与N区掺杂浓度及栅、漏、源电压有关，N型导电沟道区掺杂浓度越高，沟道电导越高，导电能力越强。沟道电导除与N区掺杂浓度有关外，同时受到栅PN结空间电荷区宽度的控制。随着栅PN结上的反向栅电压的增加，栅PN结空间电荷区向N型导电沟道区的中心扩展，使N型导电沟道区的有效宽度减小；反之，N型导电沟道区的有效宽度就增加。JFET的结构实际JFET的上下栅区是非对称的。从图可以看出，同为P型的衬底及隔离区包围着N型隔离岛，衬底即隔离区与N型岛间构成的PN结称为隔离结；夹在栅区与衬底之间的N型区即为JFET的沟道，因而衬底也是栅区，通过隔离区与上栅区连在一起，可见上下栅区的杂质分布及几何形状极不相同。JFET的结构N沟JFET在共源极工作（源极接地）时，其漏极接正电压，栅极接负电压，因此使得整个栅PN结都处于反向工作状态，栅极到源、漏极之间只有很小的反向漏电流。随着栅极负电压的增加，栅结的空间电荷区主要向N区扩展，位于上下两栅空间电荷区之间，未被耗尽的中性N型区称为沟道。当在漏、源极之间加上电压时，就有电流通过沟道。通常用和分别表示栅、源之间及漏、源之间的电压；代表漏极电流，并规定电流从漏极流入为正方向。MESFET的结构图为制作在GaAs衬底上的N沟GaAsMESFET的基本结构示意图。可见，与JFET结构类似，MESFET也有源极、栅极、漏极三个引出端；主要差别是栅结不同：JFET的栅结为PN结；而MESFET的栅结为金属-半导体接触形成的肖特基势垒，或称肖特基结。通过控制MESFET栅源电压，可改变肖特基势垒区厚度，从而实现对沟道电阻及漏极电流的调控．正常工作时肖特基势垒反向偏置，也只有很小的反向电流。JFET的工作原理在如图5.1所示的N沟JFET的漏源两端之间加正电压,当=0时，由于N型沟道相当于一个电阻，因此，将有电流经过沟道从漏极流向源极。当增加时漏源电流也随之增加，同时漏源电流在沟道电阻上产生的压降也随之增加，靠近漏极端高，源极端低。漏极端正向压降使栅极PN结反偏，栅漏结的空间电荷区从沟道的两边向沟道的中心展宽，最终使漏极端沟道被夹断。夹断后，如果漏极电压进一步增加，主要落在空间电荷层上，对沟道载流子的作用减弱，所以即使增加，漏源电流也不再增加，这种现象称为饱和，饱和时的电流电压用和表示。进入饱和工作区后，漏源电流基本保持不变，此后漏源电压继续增加并达到PN结的反向击穿电压时，JFET就会发生击穿。DSUGSUDSUDSUDSUDsatIDsatUJFET的输出特性按照随的变化规律，曲线簇可分为(1)、(2)、(3)三个区，即非饱和区、饱和区和击穿区三个区域。DSIDSUJFET的分类无论是JFET还是MESFET,按导电的沟道可分为P沟和N沟型；按零栅压时器件的工作状态，又可以分成增强型（常关型）和耗尽型（常开型）两种。因此，JFET和MESFET可分为四种类型：N沟耗尽型、N沟增强型、P沟耗尽型和P沟增强型。JFET的电流-电压特性定义JFET的x-y坐标系统如图所示。图中L称为沟道长度，a为沟道半厚度，b称为有效沟道半厚度，代表栅结耗尽层区沿x方向的扩展距离，也称做栅耗尽区厚度。假定栅PN结是单边突变的，忽略其在栅区的扩展。由单边突变PN结的原理可获得栅结耗尽区的宽度。hXhXJFET的电流-电压特性JFET的电流-电压特性JFET的电流-电压特性线性区电流-电压特性假定：沟道是线性缓变的，且栅结耗尽区电场呈现一维分布。对单边突变栅PN结，引用PN结有关耗尽区厚度的公式，利用图5.6的结构参数、坐标设置及图5.1的偏置条件，可得到沟道y处耗尽层厚度为2102)(yUUUqNyXGSBJDshJFET的电流-电压特性线性区电流-电压特性推导直流电流电压方程的第一步是引用欧姆定律写出沟道电流密度公式，欧姆定律简化成一维形式，因此沟道电流密度为现在考虑N沟JFET为对称栅结构，由图5．6和图5．1所示的结构尺寸偏置条件，按已给定义，沟道的半厚度则为，包括上下两个栅，并且两个栅电极连在一起，沟道总电流为式中，为沟道截面积，代表沟道宽度，则有dyydUNqJDnCyXybhdyydUyWbNqJAIDnCCC2WybAC2JFET的电流-电压特性线性区电流-电压特性沟道电流定义正方向为从源指向漏，而漏极电流定义的正方向与此相反，因此，。所以漏极电流方程，只需将式（5-3）右端的负号去掉，即推导方程的第二步是将式（5-5）左右两端同时积分，得出以及为自变量的漏极电流方程CDSIIdyydUyWbNqIDnDS22323322GSBJDSGSBJPDSDnDSUUUUUUULWNqIJFET的电流-电压特性线性区电流-电压特性式（5-6）右端括号前面的常数其实就是沟道的电导：式（5-6）改变为LWNqGDn202323032GSBJDSGSBJPDSDSUUUUUUUGIJFET的电流-电压特性饱和区电流-电压特性当漏源电压增加到时，漏源沟道夹断，如图5.7（b）所示。此后，夹断区相对于源端电压始终保持不变，因而夹断点随上升而渐向源移动。超过的漏源电压将降落在夹断面上，这时夹断区的长度随的增大而扩展，如图5.7(c)所示。因此，当以后，栅下沟道区成了导电沟道区和夹断沟道区两个部分，进入导电沟道区的载流子被夹断区电场漂移到漏极，因此，夹断区的漏极电流仍由导电沟道区的漂移电流决定。DsatDSUUDsatUDSUDsatUDsatDSUUDSUJFET的电流-电压特性饱和区电流-电压特性漏极电流饱和的机理是沟道漏端夹断，饱和时对应于漏端刚开始夹断，如图5.7（b）所示，空间电荷区宽度，并将式（5-l）中的换成可得：式（5-11）给出的用临界夹断电压表示为夹断电压是指刚夹断时栅源电压之差。将饱和漏源电压公式（5-12）代入方程（5-8）即可得出饱和漏电流，整理后写成hXyUDsatU2102DsatGSBJDsUUUqNGSBJPDsatUUUU31231PGSBJPGSBJDSSDsatUUUUUUIIJFET的电流-电压特性饱和区电流-电压特性从式（5-13）不难看出，代表时的饱和漏极电流，通常称为最大饱和漏电流。实际应用中为避免出现过大的栅极泄漏电流，结型场效应晶体管一般不工作到，但从式（5-13）看出，只要，的将十分接近于。将及有关参数代入式（5-14）得出这一结果表明，最大饱和漏电流不仅与，W，L及等参数有关。而且还正比于沟道载流子迁移率。在其他参数相同条件下，N沟结型场效应晶体管的比P沟的大。DSSIBJGSUUDSSIBJGSUUBJPUUVUGS0DsatIDSSIDLDSSILWNqISDnDSS03223JFET的电流-电压特性饱和区漏极电流特性长沟器件漏极电流饱和的原因是沟道漏端夹断。超过时，漏端附近将会出现夹断区，其长度随的增加而不断扩大。进一步的分析表明，夹断区同时向源接触及漏接触两个方向扩展，的一部分被朝漏接触方向的空间电荷区扩展所吸收，另一部分引起沟道区电场的增强。在沟道漏端夹断模型中，沟道被分为未耗尽区和夹断区两部分。未耗尽区又称有效沟道，其长度用表示。夹断区长度通常用表示，如图（5.8）所示。DSUDsatUDSUDsatDSUUeffLLJFET的电流-电压特性饱和区漏极电流特性忽略空间电荷区向漏接触方同的扩展时。按照夹断的定义，在以后，起始夹断点的沟道电势仍应等于，也就是有效沟道上的电压降始终维持等于不变。随着的上升，将不断增大，同时相应地减小。对于长沟道器件可以认为肖克莱模型的基本假定（包括缓变沟道近似）在有效沟道上仍然成立,已经推导出来的电流电压方程照样适用，若用代表的漏极电流，则LLLeffDsatDSUUDsatUDsatUDSULeffLDsatI'DsatDSUU23231''PGSBJPGSBJDSSDsatUUUUUUII其中前面已指出，随着的增加，夹断区扩大，有效沟道长度将缩短，是上升的。effSDnDSSLWNqI3'322DsatIDsatIJFET的直流和交流小信号参数JFET的直流参数——沟道电导（1）平衡条件下的沟道电导外加电压为零时，JFET处于平衡状态，平衡状态下的沟道电导：（2）非平衡条件下沟道电导当栅结加上反偏置电压时，JFET处于非平衡状态，沟道电导可见，由于耗尽层宽度随的增加而扩展，使沟道厚度随的增加而减小，沟道电导即随的增大而减小。漏电导是决定JFET电流大小的重要参数，对于大电流的JFET，沟道电导大一些好。LWNqLXWNqGDDhDn2200hhDDXGLXWNqG120GSUGSUhXJFET的电流-电压特性JFET的直流参数——阈值电压本征夹断电压使导电沟道消失所加的栅源电压称为阈值电或者夹断电压，沟道消失时，栅结上相应的总电势差称为本征夹断电压。2002SDTBJPqNUUU0202022SDSDBJPBJPqNqNUUUUJFET的电流-电压特性JFET的直流参数——最大饱和漏极电流是时的漏源饱和电流，又称最大漏源饱和电流，DSSI0GSDSUULNWqqNIDnSDDSS223102032PDSSULWI增大沟道厚度以及增加沟道的宽长比，可以增大JFET的最大漏极电流。JFET的电流-电压特性JFET的直流参数——最小沟道电阻器件工件在线性区时，漏源之间的沟道电阻，也为导通电阻。对于耗尽型器件，此时沟道电阻最小。因而、足够小时的导通电阻称为最小沟道电阻。0GSUDSUWNqLWXxNqLRDnhDn22min由于存在沟道体电阻，漏电流将在沟道电阻上产生压降，漏极电流在上产生的压降称为导通沟道压降。minRJFET的电流-电压特性JFET的直流参数——栅极截止电流和栅源输入电阻由于JFET的栅结总是处于反向偏置状态，因此，栅极截止电流就是PN结少子反向扩散电流、势垒区产生电流及表面漏电流的总和。在平面型JFET中，一般表面漏电流较小，截止电流主要由反向扩散电流和势垒区产生电流构成，其值在之间。因此，栅源输入电阻相当高，其值在以上。A12910~10GSR810JFET的电流-电压特性JFET的直流参数——漏源击穿电压在JFET中，漏端栅结所承受的反向电压最大，在沟道较长器件中，当漏端栅结电压增加到PN结反向击穿电压时，漏端所加电压即为漏源击穿电压。GSBDSUBUBUJFET的电流-电压特性JFET的交流小信号参数——跨导跨导的物理意义为的微小增量与引起电流变化的微小增量之比，饱和区跨导kUGSDSmDSUIg非饱和区跨导21210PGSBJPDSGSBJmlUUUUUUUGg2101PGSBJmsUUUGgJFET的电流-电压特性JFET的交流小信号参数——跨导跨导代表器件的栅压对漏极电流的控制能力。跨导直接影响并决定用结