半导体器件原理 第六章综述

半导体器件原理PrinciplesofSemiconductorDevices第六章：结型场效应晶体管JunctionFieldEffectTransistor（JFET）刘宪云逸夫理科楼229室结型场效应晶体管通过改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道的导电能力，从而调制通过沟道的电流。由于场效应晶体管的工作电流仅由多数载流子输运，故又称之为“单极型(场效应)晶体管”。JFET可分为两类：Pn结场效应晶体管（pnJFET），pn结制成；金属-半导体结型场效应晶体管（MESFET），肖特基势垒整流接触结制成。所用知识：半导体材料、PN结、肖特基势垒二极管第六章：结型场效应晶体管6.1JFET概念6.2器件的特性6.3非理想因素6.4等效电路和频率限制6.5高电子迁移率晶体管6.1JFET概念内容6.1.1pnJFET基本工作原理6.1.2MESFET基本工作原理结型场效应管分类：pnJFETMESFETJFET基本概念场效应现象20世纪20年代和30年代被发现，文献记载如图所示的晶体管结构，是第一个被提出来的固态晶体管。基本思路：加在金属板上的电压调制（影响）下面半导体的电导，从而实现AB两端的电流控制。场效应：半导体电导被垂直于半导体表面的电场调制的现象。特点：多子器件，单极型晶体管1952年，Shockley首次提出并分析了结型场效应晶体管。在JFET中所加的栅电压改变了pn结耗尽层宽度，耗尽层宽度的变化反过来调节源、漏欧姆接触之间的电导。N沟JFET中，多数载流子电子起主要导电作用；P沟JFET中，多数载流子空穴起主要导电作用；空穴的迁移率比电子的迁移率小，所以p-JFET的工作频率比n-JFET的工作频率低。6.1.1pn-JFET基本工作原理G－栅极（基极）S－源极（发射极）D－漏极（集电极）在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。6.1.1pn-JFET基本工作原理JFET的基本结构JFET的基本结构(n沟道结型场效应管）6.1.1pn-JFET基本工作原理漏源I-V特性定性分析对称n沟pn结JFET的横截面图漏源电压在沟道区产生电场，使多子从源极流向漏极。6.1.1pn-JFET基本工作原理与MOSFET比较ID的形成：（n沟耗尽型）如果源极接地，并在漏极加上一个小的正电压，则在漏源之间就产生了一个漏电流ID。对称n沟pn结JFET的横截面厚度几~十几微米两边夹结型:大于107Ω，绝缘栅:109～1015Ω。为分析JFET的基本工作原理，首先假设一个标准的偏置条件。VG≤0：pn结是零偏或反偏。VD≥0：确保n区电子从源端流向漏端。通过系统改变电压来分析器件内发生的变化。6.1.1pn-JFET沟道随VGS变化情况(VDS很小时)1.ID-VDS特性曲线随VGS的变化会有什么变化？（1）VGS=0，顶部和底部的p+n结处于热平衡，沟道宽度最宽，漏端加一个小的VDS，就形成漏电流。VGS=0栅极加负偏压VGS0（2）栅极加负偏压VGS0时，顶部和底部的p+n结都处于反偏,增加了耗尽层宽度，而使沟道的宽度变窄，沟道电阻变大，使ID-VD曲线中线性部分的斜率变小。（3）对于较大的负偏压VG，即使VD=0，也可能使整个沟道都处于耗尽状态。当VD=0，使整个沟道完全耗尽的栅电压VG=VP称为“夹断栅电压”。对于VGVP，在所有漏偏压下漏电流等于0。（如果没有击穿现象发生时）VGS0JFET转移特性曲线先假设VG=0，分析VD逐渐增加时，从S-D的电流ID的变化（1）VD=0：器件处于热平衡，p+n结存在很小的耗尽区（2）VD缓慢增加一个较小的电压，会有电流流过n区沟道，沟道就像一个纯电阻，ID随VD的增加线性增加。2.VGS=0时,VDS的变化对ID有什么影响？（3）当VD增加到零点几伏以上时，由于从S到D逐渐增大，导致顶部和底部的耗尽区会逐渐扩大，沟道变窄，使沟道电阻逐渐增大，ID-VD曲线的斜率将会减小。（4）不断增大漏电压，直到靠近漏端附近的顶部和底部的耗尽区最终连接到一起，此时沟道完全耗尽，这一条件称为“夹断”，所对应的漏电压称为“夹断电压VDsat”(5)当VDVDsat后，随VD的增加，ID基本保持不变，达到饱和JFET工作原理6.1.1pn-JFET漏源I-V特性定性分析1、VGS=0的情况：注：a.栅结p+n结近似单边突变结。b.沟道区假定为均匀掺杂。（1）器件偏置特点VDS=0时栅结只存在平衡时的耗尽层沿沟长方向沟道横截面积相同VDS0漏端附近的耗尽层厚度↑,向沟道区扩展，沿沟长方向沟道横截面积不同,漏端截面A最小。（2）ID—VDS关系VDS较小：VDS增大：VDS较大：增加到正好使漏端处沟道横截面积=0夹断点：沟道横截面积正好=0线性区过渡区6.1.1pn-JFET漏源I-V特性定性分析不断增大漏电压，直到靠近漏端附近的顶部和底部的耗尽区最终连接到一起，此时沟道完全耗尽，这一条件称为“夹断”，所对应的漏电压称为“夹断电压”。饱和区：（VDS在沟道夹断基础上增加）ID存在，且仍由导电沟道区电特性决定6.1.1pn-JFET漏源I-V特性定性分析击穿区：（VDS大到漏栅结的雪崩击穿电压）6.1.1pn-JFET漏源I-V特性定性分析2、VGS0的情况：（1）器件偏置特点（VDS=0）零偏栅压小反偏栅压VGS0漏（源）栅结已经反偏；耗尽层厚度大于VGS=0的情况；有效沟道电阻增加。6.1.1pn-JFET漏源I-V特性定性分析（2）—关系特点：a.电流随电压变化趋势，基本过程相同，b.电流相对值减小。c.夹断电压变小，VDS(sat:VGS0)VDS(sat:VGS=0)d.击穿电压变小，BVDS(sat:VGS0)BVDS(sat:VGS=0)DSVDI6.1.1pn-JFET漏源I-V特性定性分析3、足够小↓=使上下耗尽层将沟道区填满，沟道从源到漏彻底夹断，＝0，器件截止。GSVGSVPVDIGSV结论：栅结反偏压可改变耗尽层大小，从而控制漏电流大小。6.1.1pn-JFET漏源I-V特性定性分析N沟耗尽型JFET的输出特性：非饱和区：漏电流同时决定于栅源电压和漏源电压饱和区：漏电流与漏源电压无关，只决定于栅源电压MESFET（Metal-SemiconductorFET）是一种由Schottky势垒栅极构成的场效应晶体管，适用于高频应用，如工作频率超过5GHz的放大器和振荡电路中。可以作为分立器件，也可以做成集成芯片，GaAs-MESFET是微波集成电路的核心。6.1.2MESFET的基本工作原理肖特基势垒代替PN结耗尽型：加负压耗尽层扩展到夹断（正压情况不行）耗尽型：当在栅源极之间加一个反偏电压时，金属栅极下面产生一个空间电荷区，用以调制沟道电导。如果所加负压足够大，空间电荷区就扩散到衬底，这种情况称为夹断。6.1.2MESFET的基本工作原理如果把半绝缘衬底用本征材料，其能带如图所示。因为在沟道与衬底之间，沟道与金属栅之间存在势垒，电子将被束缚在沟道中。6.1.2MESFET的基本工作原理MESFET分为耗尽型（D-MESFET）和增强型（E-MESFET）耗尽型：VG=0时，沟道没有完全耗尽VG=0时，沟道已完全耗尽，必须加一个正向偏压，以减少耗尽层宽度，增加沟道电流增强型：电压摆幅小，因为所加正压不能太高，否则从电流从栅极走掉了第六章：结型场效应晶体管6.1JFET概念6.2器件的特性6.3非理想因素6.4等效电路和频率限制6.5高电子迁移率晶体管6.2器件的特性6.2.1内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压6.2.2耗尽型JFET的理想I-V特性6.2.3跨导6.2.4MESFET6.2.1内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压讨论JFET基本电学特性之前，先分析均匀掺杂耗尽型pnJFET，再讨论增强型。先推导理想单边器件的I-V关系，ID1表示其电流,双边器件可简单地认为是两个JFET的并联，ID2=2ID1忽略单边器件衬底处的耗尽层。近似为单边突变结，设沟道宽度为a，热平衡时的耗尽层宽度为h，内建电势为Vbi，外加栅源电压VGS，内建夹断电压Vpo，夹断电压Vp6.2.1内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压VGSVGS单边n沟JFET单边p沟JFET6.2.1内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压biPopbisdpodpospodGSbisnVVaeNVeNVanpaheNVVhVVJFETVV2]2[V,])(2[POP22121此，夹断电压是负值，因沟耗尽型）称为夹断电压（阈电压栅源电压把形成沟道夹断所加的表示用断电压，结的总电势称为内建夹在阈值点，空间电荷区宽度为：内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压，夹断电压是正值。沟耗尽型或（阈电压）栅源电压称为夹断电压把形成沟道夹断所加的表示用断电压，结的总电势称为内建夹在阈值点，沟对于JFETVVVVV2]2[V,])(2[JFETPOPP22121PVVaeNVeNVapnaheNVVhpbiPopbisapoapospoaGSbis6.2.1内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压分析栅极和漏极同时加电压的情况：由于漏端电压的作用，沟道中不同位置的电压不同，所以耗尽层的宽度随沟道中的位置而不同。内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压N沟pnJFET器件的基本几何结构图栅极和漏极同时加上电压：耗尽层的宽度随在沟道中的位置不同而不同内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压)()(,VV)()(2)(V])(V(2[)V]V(2[](2[PGS221DSDS221DS2211GSbiPODSGSbiPODSPOsdGSDSbidGSbisdGSbisdGSbisVVVsatVJFETpVVVsatVVNeaVsatVeNVsatVasataheNVVheNVVh则有：沟对于时，此式将失去意义〉当也可表示为：表示（这时对应的漏源电压用生，时，沟道夹断在漏端发当漏端的耗尽层宽的：源端的耗尽层宽的：理论计算得到的ID-VD曲线实验测得的ID-VD曲线理想饱和漏电流与漏极电压无关6.2.3跨导沟道互导沟道电导DGVGDmVDDdVIgVIg跨导是场效应晶体管的一个重要参数，它表示栅极电压对漏极电流的控制能力。跨导定义为漏源电压VDS一定时，漏极电流的微分增量与栅极电压的微分增量之比。非饱和区饱和区6.2.4MESFETMESFET除了pn结被肖特基势垒整流接触结代替外，其他均与pnJFET相同。MESFET通常用GaAs制造。增强型JFET实验和理论的平方根与VGS的理想关系曲线理想曲线和电压轴相交的一点值是阈值电压。理想下的I-V关系是在假定pn结耗尽层突变近似的情况下推导出来的。JFET和MOSFET的主要共同点和差异JFET与MOSFET都是场效应晶体管，它们的主要共同点在于：（1）是多数载流子工作的器件，则不存在因为少数载流子所引起的一些问题（如温度稳定性较好）。（2）输入阻抗都很高，并且都是电压驱动的器件，则工作时不需要输入电流，而且输入回路较为简单。（3）转移特性都是抛物线关系，则不存在3次交扰调制噪声。JFET与MOSFET由于器件结构不同，特性存在差异：（1）MOSFET的输入阻抗更加高于JFET。（2）MOSFET对于静电放电（ESD）的抵抗能力较差，因此在MOSFET的输入端往往需要设置防止ESD破坏的二极管等元器件。（3）JFET一般是耗尽型的器件，而MOSFET可以有增强型器件。因此，在使用时，JFET的栅极只能外加反向电压，对于正向的输入电压则不能正常工作。MOSFET由于既有耗尽型、也有增强型，则输入电压信号较大时也能够正常工作。（4）JFET的噪声性能优于MOSF