结型场效应晶体管-1.ppt

场效应管的分类 场 效 应 晶 体 管 场效应管的特点及应用举例 本书主要介绍的是？ 什么是场效应管 先学习结型场效应晶体管 按其结构及制作工艺，可分为： 1. 结型栅场效应晶体管，包括肖特基栅场 效应晶体管 2. 绝缘栅场效应晶体管 3. 薄膜场效应晶体管 场效应管的分类 什么是场效应管 （单极型场效应晶体管） 它通过改变导电沟道的导电能力，从而 调制通过沟道的电流 FET的直流输入阻抗很高，一般可达 双极型晶体管输入阻抗一般 左右。因而 FET适合一些要求直流输入阻抗高的场合。 1. 2. 3. 4. 场效应晶体管具有以下共同特点：17 体积小，重量轻，集成度高 它通过输入电压来控制输出电流，是一种电 压控制器件。双极型晶体管为电流控制器件 噪声低：这是FET又一显著特点。因而它特 别适合于要求高灵敏度、低噪声的场合 5. 6. 7. 热稳定性好。设计电路时可使器件工作在零 温度系数附近，消除温度的影响。 因为FET是多子器件，所以其抗辐射能力强 ，这使它可工作在有强烈辐射的环境中 与双极型晶体管相比，制作工序少、工艺简 单，有利于提高产品合格率、降低成本。 由于FET的上述特点，使其研究、制作和应用 发展很快，在半导体器件中占有相当重要的地 位。下面看看其在生产生活中的应用： 例如：在集成电路中的应用： MOS倒相器 此外，功率场效应管在电力电子技术中也有着广 泛的应用 第五章 结型场效应晶体管 1. JFET的基本知识 2. JFET的直流特性和频率特性 分类和代表符号、基本结构、工作原理、转移特 性，肖特基栅场效应晶体管 5.1.1 器件的类型和代表符号 耗尽型 P型N型 增强型 JEFT一般都是耗尽型的 5.1.2 JEFT的基本结构 立体图 剖面图 平面工艺中JEFT的结构： 衬底 外延层 5.1.3 基本工作原理1 下面以N沟耗尽型为例，说明JFET的工作原理 对N沟耗尽型来说，正常条件 下在电路中的连接方式： 偏压变化 势垒区宽 度变化 沟道导电 能力变化 VGS=0VGS=0下面分两种情况进行分析： 讨论的方法： 5.1.3 基本工作原理2 1) VGS=0 加上漏源电压，看看在不同的漏源电压下管子导电能力的变化 下面几个图对比看看 下页有输出特性曲线 利用上面的分析可以很好的解释实验中在栅源 电压为零时所得到的JFET管的输出特性曲线 （下图） 漏源电压较小 漏源电压饱和 漏源电压较大 下面看看VGS=0时候的漏特性 VGS0 VCC VDS VCC VDS 对于N沟，一般只有 VGS沟道区 ND单边突变结； 3）沟道中载流子迁移率为常数； 4）忽略沟道边缘扩展开的耗尽区，源漏之间的电流之 有y分量； 5）栅结空间电荷区中满足 求pn结耗尽层宽 度时，二维泊松 方程化成一维 现在利用此理论来分析求解，由于器件栅区 结构的对称性，我们只讨论器件的上半部。 不考虑RSRD 得到右边数学模型 放大图，下页 先看看非饱和区直流电流、电压方程： 非饱和区I-V方程： 返回跨导 要求解沟道电流，先判断此时沟道电流的类型？ 沟道电流 其中 所以沟道电流 而栅结是单 边突变结： 所以沟道电流 又因为 所以对上式在整个沟道进行积分 可得： 而栅结是单 边突变结： 所以可以得到 非饱和区I-V方程： 再看看饱和区直流电流、电压方程： 饱和区沟道被夹断，前面非饱和区方程已经不适用了 ，那么如何求饱和区的电流电压方程呢？ 饱和区I-V方程：下页 饱和区I-V方程：下页 最大饱和漏极电流 本征夹断电压漏源电压为零时 返回跨导 2） JFET的直流参数 a 夹断电压VP： b 最大饱和漏极电流 c 最小沟道电阻Rmin: d 栅极截止电流IGSS和栅源输入电阻RGS VGS=0、VDS足够小时的沟道电阻 导电沟道消失所需的栅源电压 栅结反向漏电流 饱和区中VDS=VGS时漏源电流 e 漏源击穿电压、输出功率 演示耗尽区随栅源电压变大而变宽直到填充整个沟道区的动画 沟道夹断前 P P 如何求解JFET的夹断电压呢？ a 夹断电压： 导电沟道消失所需的栅源电压 栅结是单边突变结，其空间电荷区的宽度为 所以沟道刚好夹断时，栅结空间电荷区的宽度为 由此可以得到JFET的夹断电压为 b 最大饱和漏极电流 饱和区中VD=VGS时的漏源电流 饱和区I-V方程： c 最小沟道电阻Rmin: VGS=0、VDS足够小时的沟道电阻 P P d 栅极截止电流IGSS和栅源输入电阻RGS 栅极截止电流：由于其栅结总是处于反偏状态 ，所以栅极截止电流就是PN结少子反向扩散 电流、势垒区产生电流、表面漏电流的总和 。其值10-910-12A之间 栅源输入阻抗：栅结反偏状态，所以栅源输入 阻抗相当高。其值108欧姆以上。 e 漏源击穿电压 最大漏极电流最高漏源峰值电压 f 输出功率 由 得 思考：漏源击穿如何发生？击穿类型？ 3）直流特性的非理想效应 a 、沟道长度调制效应 b 、速度饱和效应 c 、亚阈值电流（了解） a 、沟道长度调制效应 下面看看考虑了沟长调制效应后，饱和区电 流电压特性的表达式。 由图可见，有效沟道长度为 忽略空间电荷区中由于电流产生的电荷，沟道耗尽层长度 在一级近似下可按单边突变结耗尽层的模型计算，即 最大饱和漏电流为 所以漏电流为 实际应用中，考虑了沟长调制效应之后，饱和区电流 电压特性常常写成下面的形式： 式中 为沟长调制系数，其定义如下： 以上讨论说明，由于有效沟道长度随漏源电压变化，饱 和区漏源电流变成了 的函数。 对于高频MESFET，典型的沟长为 级，由于沟长很 短，所以沟道长度调制效应影响较大。 4）速度饱和效应 以前讨论均认为沟道载流子迁移率为常数，这在沟道 场强较低时是成立比如沟道较长时 但是现代JFET和MESFET中，沟道仅12微米，甚至更 短。即使只有几伏漏源电压，沟道中平均场强也可达到 10kV/cm以上，使沟道载流子速度饱和。 关于电子漂移速 度随电场变化的 关系可见右图 b 、速度饱和效应 沟道加上漏电压后，沟道厚度由源端到漏端逐渐变薄， 所以载流子的速度首先在沟道靠近漏端处饱和，当载流子 速度饱和后，漏电流也因此饱和，设载流子速度饱和处的 耗尽区厚度为饱和厚度 ，则有 实践证明，短沟道器件的速度饱和效应使器件提前饱和 ，导致JFET的有效增益降低。 c 、亚阈值电流 （了解） 对于耗尽型器件，当 小于阈值电压 时，漏源之间 的漏电流称为亚阈值电流（此时器件本应截止，漏源电流 理想情况下为零）。此电流的主要成份为扩散电流。 4）低频小信号参数 跨导、漏电导 在交流电路中，器件的端电流和端电压均随时间变化 ，但在“小信号”的情况下，其变化量比热电势还小得多， 因此，可以忽略电荷的储存效应，采用“准静态”近似的方 法来讨论其交流电流电压特性。 在下面的分析中，本应是交流参量，都将直接写成直 流参量，但应理解为准静态参量，并借用前面已经推导出 的直流特性的一些结论。 下面我们来讨论几个比较重要的交流参数： a. 跨导：一定的漏源电压下，漏源电流随栅源电压的变 化率。定义式如下 物理意义：表示栅极电压对漏极电流的控制能力，是器 件的增益。 例如：在一个单管交流放大电路中，如下图 VCC VDS VGS VGS VGSIDS 其电压增益： VGS VRL 显然随其跨导 增加而变大 VRL 饱和区跨导 非饱和区跨导 饱和区IDS 非饱和区IDS 根据跨导下面的定义式 由上式可见， 随 上升而增大，当 时，跨 导达到最大值： 在考虑了源端串联电阻之后， ，故有效跨 导为 所以，器件的跨导与 成正比，同时也与 、 、载 流子的迁移率和沟道厚度有关。 毫安/伏（MA/V）与毫西（ mS）表示的是一样的量纲 非饱和区： 物理意义：表示漏源电压对漏电流的控制能力。 漏电导： （微分增量之比） 比较 在考虑了漏源端串联电阻之后， ， 有效漏电导为 所以，串联电阻的存在会使器件的漏电导变小。 下页饱和区的漏电导 饱 和 区： 所以需要讨论？看下页输出特性曲线 不 完 全 饱 和 利用前面的经验公式： 可得到饱和区的漏电导： 其中漏电流可用近似公式 5）交流小信号等效电路 5）本征电容和交流小信号等效电路 a、本征电容： 无论是PNJFET还是MESFET其势垒区都存在电容。 考虑到器件3个极中任何二极之间电位变化都会引起耗尽层电荷的变 化，所以研究者提出了多种关于结型场效应管的电容模型。为了简便 ，这里引入栅源电容和栅漏电容。如图 Cgs 是栅极下耗尽层电容。其充放电决定了FET的高频特性 Cgd 是漏端栅漏间的耗尽层电容。它反映了漏极与栅极间的反馈作用 ，这个负反馈作用将影响FET的高频增益。 跨导 下面分别看看这两个电容 Cgs 是栅漏电压为常数时，栅源电压 变化引起的栅结耗尽层电荷的变化， 即： 沟道总电荷量 Cgd 是栅源电压为常数，漏源电压的 变化引起栅结耗尽层电荷即沟道电荷 的变化，即 对于非对称结构的MESFET，在 很 小的线性区，栅源电容可以看成是平 板电容为耗尽层宽度 而 可以认为是整个沟道厚度均 等于 时的栅结耗尽层总电容。 又因为总的栅源电容满足下面的关系 所以栅漏电容此时可写为 下面看看其交流小信号等效电路 漏电流是VDS 、VGS的函数 FET在交流状态下时，其电路连接如下图所示 总的电流、电压都是直流分量、交流分量之和，即： b、交流小信号等效电路： 对 两边求全微分得 所以有 再考虑到 的充放电电流，则 同理，可得 vgs VGS0 VDS0 RL CDC 是速度饱和时的偶极层电容，通常很小，可以忽略 由上面的表达式，我们可以得到结型场效应管的交流小信 号等效电路如下： 6）频率参数 b 特征频率fT： c 最高振荡频率fm: a 载流子渡越时间截止频率f0： a 载流子渡越时间截止频率f0： 是载流子从源端到漏端的渡越时间所限定的频率极限。 在弱场下，载流子的迁移率为常数，渡越时间为： 所以有 在短沟道器件中，沟道电场较强，载流子迁移率不再是常 数，上式不再适用，此时应该有 所以截止频率为 当载流子速度饱和之后，便有 对高频的GaAs器件，为了达到最高的 截止频率，必须选择合适的电场。 b 特征频率fT： 共源等效电路中，在输出交流短路条件下，通过输入电 容Cgs的电流等于本征晶体管的