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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:pnJFETMESFETJFET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[JFETPOPP22121PVVaeNVeNVapnaheNVVhpbiPopbisapoapospoaGSbis6.2.1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6.2.4MESFETMESFET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
本文标题:半导体器件原理-第六章
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