结型场效应晶体管【PPT课件】

第五章 结型场效应晶体管 图 5两种工艺制成的 沟道 a）外延 扩散工艺 （ b）双扩散工艺 S 漏极 D 栅极 G： 上栅 、 下栅 一、 二、工作原理 场效应 ：半导体的电导率被垂直于半导体表面的电场调制的效应叫做场效应 。 图 5 的 a） ，（ b） = ，（ c） 理想的漏极特性 0GV V 多数载流子承担 ， 不存在少数载流子的贮存效应 ， 因此有利于达到比较高的截止频率和快的开关速度 。 它的输入电阻要比 因此其输入端易于与标准的微波系统匹配 ， 在应用电路中易于实现级间直接耦合 。 由于是多子器件 ， 因此抗辐射能力强 。 与 有利于集成 。 早期的大多 进入二十世纪九十年代 ， 它们易于同 此外 ， 在高速 用 以改善电路单元的一些性能并能提高芯片的电学参数的合格率 。 结 型 场 效 应 管的工作原理 (以 结 型 场 效应 管 为 例 ) :由于 的 载 流子已 经 耗 尽 ，故 电 的，形成了所 谓 耗 尽区 ，当 漏 极电 源 电压 ，如果 栅极电压 越负 ， 界面所形成的耗 尽区 就越厚， 则漏、源 极 之 间导电 的 沟 道越窄，漏 极电 流 之，如果 栅极电压没 有那 么负 ， 则沟道 变宽 ， ，所以用 栅极电压 电 流 化，就是 说 ， 场 效 应 管是 电压控制元件。 想 想 理想的 1) 单边突变结 2) 沟道内杂质分布均匀：无内建电场 ， 载流子分布均匀 ， 无扩散运动 。 3) 沟道内载流子迁移率为常数； 4) 忽略有源区以外源 、 漏区以及接触上的电压降 ， 于是沟道长度为 L； 5) 缓变沟道近似 ， 即空间电荷区内电场沿 而中性沟道内的电场只有 维问题化为一维问题 。 6) 长沟道近似： L2（ 2a） ， 于是 改变很小 ， 看作是矩形沟道 。 想 图 5大的图 5明在有源沟道内空间电荷区逐渐改变 . 想 一、夹断前的电流电压特性 21002 (5 (5 漏 极电 流 2为电 流流 过 的截面 积 。 2 0 00022(5 想 (5 式中 23002 00 232320 (5 想 图 5 的硅 流 电压特性： （ a） 的式（ 5理论曲线，（ b） 实验结果 70, d0a ） （ b ） ID（ 4 8 12 16 20 0 2 4 6 8 10 V ） 0 线性区 饱和区 ID（ 4 8 12 16 20 0 2 4 6 8 10 V ） 0 想 沟道夹断与夹断电压 ： 在夹断点，令（ 5中 以及 ，可求得夹断电压： 式中 为夹断电压 。 常称 为内夹断电压 。 由式 （ 5可见 ， 夹断电压仅由器件的材 料参数和结构参数决定 ， 是器件的固有参数 。 0020 2 （ 5 想 例题 以及 。求：（ a） 夹断电压 和 ，（ b） 在栅极和源极两者接 地时， 的漏极电流。 解： 0,1,10,105,12 319315 21 3 5 0 D 0V： ： a 415819020 3023000 想 小结 建立了理想 在理想 深入介绍了沟道夹断和夹断电压的概念 。 由 可见 ， 夹断电压仅由器件的材料参数和结构参数决定 ， 是器件的固有参数 。 这就是 “ 在夹 断点 夹断电压相等 ” 一语的根据 。 3 2 3 / 200 0 02223D D D G V V V Vq a N （ 5 0020 2 （ 5 静态特性 静态特性 一、线性区 令 ,（ 5中的第二项： 把 （ 5式代入 （ 5式并简化 ， 得到 （ 5 上式表明 ， 漏极电流对漏极电压的确是线性依赖关系 。 （ 5式也反映出栅 极电压对 V0（ 5 311 000 1静态特性 二、饱和区 在夹断点首先发生在漏端，漏极和栅极上的偏置电压的大小满足条件 可见 ， 夹断电压由栅电压和漏电压共同确定 。 对于不同的栅电压来说 ， 为 达到夹断条件所需要的漏电压是不同的 。 在图 5-4 5式绘成曲线 ， 称为夹断曲线 。 超出夹断曲线的电流 电压特性称为饱和区 ， 这是由于漏极电流是饱和的 。 把 （ 5式代入 （ 5式 ， 导出饱和漏极电流 ： 000000 31132 （ 5 5 静态特性 （ 5式称为 并绘于图 5 在图 5 还画出了抛 物线 式中 表示栅极电压为零 （ 即栅源短路 ） 时的漏极饱和电流 。 注意表示 在 （ 5式中的简单平方律与 （ 5式非常接近 。 201 静态特性 实验发现 ， 即使在 所有的转移特性都落在图 5 在放大应用当中 ， 通常工作在饱和区 ， 并且在已知 栅电压 信 号时 ， 可利用转移特性求得输出的漏极电流 图 5转移特性 断后的 断后的 一 、 沟道长度调制效应 沟道夹断之后，漏极电压进一步增加时，耗尽区的长度增加，电中性的沟道长度减小。这种现象称为沟道长度调制。 图 5断后的沟道长度调制 断后的 在沟道中心 ， 电中性的沟道区承受电压 ， 耗尽的沟道区承受电压 。 由于被减短的电中性沟道长度承受着同样的 ， 而沟道长度减少了 ， 因而 ， 对于夹断后的任何漏极电压 ， 都会使漏极电流略有增加 。 由于这个原因 ， 夹断后的漏极电流不是饱和的 ， 且漏极电阻为有限 。 D 断后的 二 、 饱和区的漏极电阻 由于在夹断点 （夹断电压不变）不变，所以 夹断后的漏极电流可通过修改 （ 5式求得 式中新的沟道长度 承受夹断电压 。 D S D 5 L , 0 0 00002 133 断后的 夹断后被耗尽的沟道长度增加了 假设被耗尽的沟道向源端扩展与向漏端的扩展相等 ， 夹断时小 信 号漏极电阻近似地用漏极电流 电压特性的斜率表示： （ 5 2102 21022121 （ 5 （ 5 断后的 例题： 考虑 5求出 和 时的漏极电阻。 解： 取 作为 得 D 2 021)105)(12)(2(151914 1 断后的 在 在 式（ 5 31）可改写成 其中用了 DV I DV I S 断后的 三 、 漏极击穿 随着漏 极电压的增加 ， 会导致栅 沟道二极管发生雪崩击穿 ， 这是漏电流突然增加所致 。如绘于图 5 击穿发生在沟道的漏端 ， 因为那里有最高的反向偏压 。 此击穿电压可用下式表示 （ 5 式 中为击穿时的漏电压 。 断后的 断后的 小结 沟道长度调制效应：沟道夹断之后 ， 漏极电压进一步增加时 ， 耗尽区的长度增加 ， 电中性的沟道长度减小 。 这种现象称为沟道长度调制 。 在沟道中心 ，电中性的沟道区承受电压 ， 耗尽的沟道区承受电压 。 由于被减短的电中性沟道长度承受着同样的 ， 而沟道长度减少了 ， 因而 ， 对于夹断后的任何漏极电压 ， 都会使漏极电流略有增加 。 由于这个原因 ， 夹断后的漏极电流不是饱和的 ， 且漏极电阻为有限 。 D 断后的 夹断后漏电流可： 导出了夹断后沟道长度公式 定义了小 信 号漏极电阻 通过例题说明了小 信 号漏极电阻的计算方法 。 着漏 极电压的增加，会导致栅 沟道二极管发生雪崩击穿。击穿发生在沟道的漏端。 D S D 21022121 （ 5 （ 5 小结 半导体场效应晶体管 图 5 视图 实际的 减小寄生电阻。肖特基势垒是和源、漏两极的欧姆接触一起用蒸发的方法在 半导体场效应晶体管 常闭型或增强型： 时 外延层达到绝缘衬底 ， 因此不出现导电沟道 。 工作时需要给耗尽层加上正向偏压 ， 使耗尽层变窄 ，以致耗尽层的下边缘向 层内回缩 ， 离开半绝缘衬底 ， 使得在耗尽层下方和绝缘体衬底之间形成导电沟道 。 常开型或耗尽型： 时 时就存在导电沟道 ， 而欲使沟道夹断 ， 则需给耗尽层加上负的栅偏压 。 由于 因此 ， 前面几节对 都适合于 过对于增强型 （ 5式中的 通常换成 。 称为阈值电压 。 显然 总是正的 。 此外 ， 由于 因此其漏电流应是 （ 5式中的一半 。 000T H 半导体场效应晶体管 小结 介绍了 介绍了 金属 半导体接触工艺允许 有利于提高器件的开关速度和工作频率 。 硅的 要倾注很大力量 ， 防止淀积金属前硅表面生成天然氧化层 。 0 对于通常淀积金属前的 金属与 这为制作 这使它更适合于高频应用 。 目前最为普及 ， 能大量应用 ， 技术成熟并作为商品化的化合物半导体晶体管的多是 不论作为分立器件或以 情况都是如此 半导体场效应晶体管 小结 (a)常闭型或增强型： 时 因此不出现导电沟道 。 (b)常开型或耗尽型： 时 时 ， 就存在导电沟道 。 前面几节对 都适合于 对于增强型 ， , 通常换成 。 称为阈值电压 。 总是正的 。 此外 ， 由于没有下