半导体器件物理第5章.pdf

第五章结型场效应晶体管第五章结型场效应晶体管 5 1 JFET的基本结构和工作过程5 1 JFET的基本结构和工作过程 5 1 JFET的基本结构和工作过程5 1 JFET的基本结构和工作过程 图5 1 由两种工艺制成的沟道JFET a 外延 图5 1 由两种工艺制成的沟道JFET a 外延 扩散工艺 b 双扩散工艺扩散工艺 b 双扩散工艺 n 源极 Source S漏极 Drain D栅极 Gate G 上栅 下栅 一 JFET的基本结构 源极 Source S漏极 Drain D栅极 Gate G 上栅 下栅 一 JFET的基本结构 5 1 JFET的基本结构和工作过程5 1 JFET的基本结构和工作过程 二 工作原理二 工作原理 场效应场效应 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 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 2 的JFET a b c 理想的漏极特性图5 2 的JFET a b c 理想的漏极特性 0 G V d V P V d V P V 5 1 JFET的基本结构和工作过程5 1 JFET的基本结构和工作过程 JFET的几个突出的特点的几个突出的特点 JFET的电流传输主要由一种型号的载流子 JFET的电流传输主要由一种型号的载流子 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 JFET是电压控制器件 它的输入电阻要比 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 JFET是电压控制器件 它的输入电阻要比BJT的高得多 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BJT及 的高得多 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BJT及MOS工艺兼容 有利于集成 早期的大多JFET用半导体硅材料制做 进入二十世纪九十年代 LnP GaLnAsP等 化合物半导体JFET被成功地制造出来 它们易于同GaLnAsP激光器及探测器集成在同 一光电集成电路芯片上 此外 在高速GaAs数字集成电路中 用JFET代替MESFET 可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 工艺兼容 有利于集成 早期的大多JFET用半导体硅材料制做 进入二十世纪九十年代 LnP GaLnAsP等 化合物半导体JFET被成功地制造出来 它们易于同GaLnAsP激光器及探测器集成在同 一光电集成电路芯片上 此外 在高速GaAs数字集成电路中 用JFET代替MESFET 可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 5 1 JFET的基本结构和工作过程5 1 JFET的基本结构和工作过程 小结小结 介绍了介绍了JFET的基本结构 的基本结构 介绍了介绍了JFET的基本工作原理 的基本工作原理 沟道电阻随半导体表面电场变化而变化 从而沟道电流沟道电阻随半导体表面电场变化而变化 从而沟道电流随随半导体表面电场变 化而变化 因此 半导体表面电场变 化而变化 因此JFET实际上是一个电压控制的电阻 实际上是一个电压控制的电阻 4 引进了 沟道夹断 漏电流饱和 夹断电压的概念 引进了 沟道夹断 漏电流饱和 夹断电压的概念 5 1 JFET的基本结构和工作过程5 1 JFET的基本结构和工作过程 教学要求教学要求 画出JFET的基本结构示意图 画出JFET的基本结构示意图 简述JFET的基本工作原理 简述JFET的基本工作原理 为什么说为什么说JFET实际上是一个电压控制的电阻 实际上是一个电压控制的电阻 熟悉沟道夹断 漏电流饱和 夹断电压等概念 熟悉沟道夹断 漏电流饱和 夹断电压等概念 5 2 理想JFET的I V特性5 2 理想JFET的I V特性 5 2 理想JFET的I V特性5 2 理想JFET的I V特性 理想的JFET基本假设及其意义 1 单边突变结 SCR在轻掺杂一侧 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y方向 而中性沟道内的电场只有X方 向上的分量 二维问题化为一维问题 6 长沟道近似 L 2 2a 于是W沿着L改变很小 看作是矩形沟道 理想的JFET基本假设及其意义 1 单边突变结 SCR在轻掺杂一侧 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y方向 而中性沟道内的电场只有X方 向上的分量 二维问题化为一维问题 6 长沟道近似 L 2 2a 于是W沿着L改变很小 看作是矩形沟道 5 2 理想JFET的I V特性5 2 理想JFET的I V特性 图5 3 放大的图5 2的简图 说明在有源沟道内空间电荷区逐渐改变 图5 3 放大的图5 2的简图 说明在有源沟道内空间电荷区逐渐改变 N 5 2 理想JFET的I V特性5 2 理想JFET的I V特性 一 夹断前的电流 电压特性一 夹断前的电流 电压特性 JFET中x处耗尽层宽度为JFET中x处耗尽层宽度为 2 1 00 2 d G qN VxVk xW 5 1 5 2 漏 5 1 5 2 漏极电流流 dx dV ZWaNqnqAI dnnD 2 为电流流流流过的截面的截面积 ZWa 2 dVVV qN k a ZNq dxI D V G ddn d L 0 0 0 0 2 2 5 3 5 3 5 2 理想JFET的I V特性5 2 理想JFET的I V特性 5 4 式中 5 4 式中 2 3 00 2 0 0 2 32 3 2 GGD d DD VVV Nqa k VGI L NqaZ G dn 2 0 5 5 5 5 5 2 理想JFET的I V特性5 2 理想JFET的I V特性 图5 4 的硅N沟道JFET 电流 电压特性 a 的式 5 4 的理论曲线 b 实验结果 图5 4 的硅N沟道JFET 电流 电压特性 a 的式 5 4 的理论曲线 b 实验结果 315 105 2 170 5 1 cmNLZma d 0 s R a b ID mA 0 4 8 12 16 20 0 2 4 6 8 10 VD V 0 G V V1 V2 V3 V4 线性区 饱和区 ID mA 0 4 8 12 16 20 0 2 4 6 8 10 VD V 0 G V V1 V2 V3 V4 5 2 理想JFET的I V特性5 2 理想JFET的I V特性 沟道夹断与夹断电压沟道夹断与夹断电压 在夹断点 令 5 1 式中以及 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 6 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 在夹断点 令 5 1 式中以及 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 6 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 PG VVV aW 0 0 2 0 2 P d P V k Nqa V 5 6 P V 0P V 5 2 理想JFET的I V特性5 2 理想JFET的I V特性 例题例题 N沟道JFET有 以及 求 a 夹断电压和 N沟道JFET有 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 在栅极和源极两者接 地时 的漏极电流 解 cmZmLmacmNcmNK ad 1 0 30 1 10 105 12 319315 2 1350cm n sV PD VV 0P V P V a V k Nqa V d p 77 3 1085 8122 10510106 1 2 14 15819 0 2 0 b 13 0 104 14 2 L NqaZ G dn mAV V VGI P P PD 6 9 3 2 23 0 23 0 0 0 V n NN V i da T 86 0 1025 2 10105 ln026 0ln 20 1915 2 0 5 2 理想JFET的I V特性5 2 理想JFET的I V特性 小结小结 建立了理想JFET的基本假设 建立了理想JFET的基本假设 在理想JFET的基本假设的基础上导出了夹断前JFET的I V特性方程在理想JFET的基本假设的基础上导出了夹断前JFET的I V特性方程 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 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 32 3 2 0 000 2 22 3 DDDGG d k IGVVVV qa N 5 4 0 0 2 0 2 P d P V k Nqa V 5 6 5 2 理想JFET的I V特性5 2 理想JFET的I V特性 教学要求教学要求 掌握理想JFET的基本假设及其意义 掌握理想JFET的基本假设及其意义 导出夹断前JFET的I V特性方程 5 4 导出夹断前JFET的I V特性方程 5 4 深入理解沟道夹断和夹断电压的含义 根据公式 理解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 以及 在夹 断点夹断电压相等 一语的根据 深入理解沟道夹断和夹断电压的含义 根据公式 理解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 以及 在夹 断点夹断电压相等 一语的根据 作业 5 1 5 2 5 3 作业 5 1 5 2 5 3 5 6 0 0 2 0 2 P d P V k Nqa V 5 3 静态特性5 3 静态特性 5 3 静态特性5 3 静态特性 一 线性区 令 5 4 式中的第二项 把 5 7 式代入 5 4 式并简化 得到 5 8 上式表明 漏极电流对漏极电压的确是线性依赖关系 5 8 式也反映出栅 极电压对I V曲线斜率的明显影响 一 线性区 令 5 4 式中的第二项 把 5 7 式代入 5 4 式并简化 得到 5 8 上式表明 漏极电流对漏极电压的确是线性依赖关系 5 8 式也反映出栅 极电压对I V曲线斜率的明显影响 D V G V 0 5 7 5 7 G D G G D GGD V V V V V VVV 0 2 3 0 2 3 0 2 3 0 2 3 0 2 3 11 D po G V V V GI 0 00 1 5 3 静态特性5 3 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 a中把 5 9 式绘成曲线 称为夹断曲线 超出夹断曲线的电流 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 a中把 5 9 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 9 式代入 5 4 式 导出饱和漏极电流 电压特性称为饱和区 这是由于漏极电流是饱和的 把 5 9 式代入 5 4 式 导出饱和漏极电流 PGD VVV 000 0 0 0 3 1 1 3 2 PG P G DS VGV V V GI 5 9 5 9 DS I 5 10 5 10 5 3 静态特性5 3 静态特性 5 10 式称为JFET的转移特性 并绘于图5 5中 在图5 5中 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 11 式中的简单平方律与 5 10 式非常接近 5 5 10 式称为JFET的转移特性 并绘于图5 5中 在图5 5中 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 11 式中的简单平方律与 5 10 式非常接近 5 1111 2 0 1 P G DSSDS V V II DSS I 5 3 静态特性5 3 静态特性 实验发现 即使在实验发现 即使在y方向为任意非均匀的杂质分布 所有的转移特性都落在图方向为任意非均匀的杂质分布 所有的转移特性都落在图 5 5中所示的两条曲线之间 在放大应用当中 通常工作在饱和区 并且在已知 栅电压 中所示的两条曲线之间 在放大应用当中 通常工作在饱和区 并且在已知 栅电压信信号时 可利用转移特性求得输出的漏极电流号时 可利用转移特性求得输出的漏极电流 图5 5JFET 的转移特性图5 5JFET 的转移特性 5 3 静态特性5 3 静态特性 教学要求教学要求 JFET的夹断曲线的意义 JFET的夹断曲线的意义 掌握线性区条件 掌握线性区条件 掌握线性区I V特性 公式 5 8 掌握线性区I V特性 公式 5 8 掌握饱和区条件 掌握饱和区条件 掌握饱和区I V特性 公式 5 10 掌握饱和区I V特性 公式 5 10 作业 5 9 作业 5 9 D V G V 0 PGD VVV 5 4 小信号参数和等效电路5 4 小信号参数和等效电路 5 4 小信号参数和等效电路5 4 小信号参数和等效电路 JFET所包含的电学属性JFET所包含的电学属性 图5 7 具有源电阻和漏电阻的JEFT 图5 7 具有源电阻和漏电阻的JEFT p D GG G 有源沟道N p S D R S R DS D I 5 4 小信号参数和等效电路5 4 小信号参数和等效电路 1 线性区漏极导纳 定义为 式 5 12 由 5 8 式对漏电压求导得到 对于 可见JFET是一个电压控制的可变电阻 2 线性区跨导 定义为 式 5 13 由 5 8 式对求导得到 5 12 1 线性区漏极导纳 定义为 式 5 12 由 5 8 式对漏电压求导得到 对于 可见JFET是一个电压控制的可变电阻 2 线性区跨导 定义为 式 5 13 由 5 8 式对求导得到 5 12 0 0 0 1 p G V D D dl V V G V I g G G V 0P V Gp D V G D ml VV VG V I g D 00 0 2 5 13 5 13 G V 5 4 小信号参数和等效电路5 4 小信号参数和等效电路 3 饱和跨导 定义为 在饱和区 公式 5 14 由式 5 10 对求导得到 4 栅极漏泄电流 栅极漏泄电流用和表示它们是P N结反向饱和电流 产生电流和表面漏泄电 流的总和 在平面JFET型中 表面漏泄电流的成分通常很小 在一般器件中 栅极 漏泄电流的数值在之间 由此得到的输入阻抗大于10 3 饱和跨导 定义为 在饱和区 公式 5 14 由式 5 10 对求导得到 4 栅极漏泄电流 栅极漏泄电流用和表示它们是P N结反向饱和电流 产生电流和表面漏泄电 流的总和 在平面JFET型中 表面漏泄电流的成分通常很小 在一般器件中 栅极 漏泄电流的数值在之间 由此得到的输入阻抗大于108 8 所以说JF ET是高输入阻抗的电压控制器件 5 14 所以说JF ET是高输入阻抗的电压控制器件 5 14 0 0 0 1 p G G Ds m V V G V I g gd r gS r A 129 10 10 5 4 小信号参数和等效电路5 4 小信号参数和等效电路 线性输出导纳等于饱和跨导 典型的跨导的实验曲线绘于图5 6中 图5 6 跨导的理论曲线和实验曲线 线性输出导纳等于饱和跨导 典型的跨导的实验曲线绘于图5 6中 图5 6 跨导的理论曲线和实验曲线 5 4 小信号参数和等效电路5 4 小信号参数和等效电路 5 栅极电容 栅和沟道之间的 5 栅极电容 栅和沟道之间的P N结在反偏压下所具有的结电容 则栅极总电容可以用下式表示 为平均耗尽层宽度 为每个结的面积 因子2是考虑了两个P N结的贡献 在 并处于夹断条件时 因而 夹断时的栅电容为 为简化设计 往往用两个集总电容 即栅一漏电容和栅一源电容来表示 而不 管栅电容的实际分布性质如何 5 22 结在反偏压下所具有的结电容 则栅极总电容可以用下式表示 为平均耗尽层宽度 为每个结的面积 因子2是考虑了两个P N结的贡献 在 并处于夹断条件时 因而 夹断时的栅电容为 为简化设计 往往用两个集总电容 即栅一漏电容和栅一源电容来表示 而不 管栅电容的实际分布性质如何 5 22 W k ZLCG 0 2 W ZL 0 G VW2a a k ZLCG 0 4 5 23 5 23 gd C gS C 5 4 小信号参数和等效电路5 4 小信号参数和等效电路 6 器件封装电容 器件封装在漏和源两端引起的小电容 7 源 漏串联电阻和 8 漏极电阻 它表示了漏电流的不饱和性 是由沟道长度的调制引起的 在以后讨论 6 器件封装电容 器件封装在漏和源两端引起的小电容 7 源 漏串联电阻和 8 漏极电阻 它表示了漏电流的不饱和性 是由沟道长度的调制引起的 在以后讨论 dS C S R D R dS r 5 4 小信号参数和等效电路5 4 小信号参数和等效电路 简化的等效电路绘于图5 9中 对于大多应用 这种简单的电路已经足够 对于低频的 运用 电容可以忽略不计 图5 8 小 简化的等效电路绘于图5 9中 对于大多应用 这种简单的电路已经足够 对于低频的 运用 电容可以忽略不计 图5 8 小信信号等效电路图5 9简化的小号等效电路图5 9简化的小信信号等效电路号等效电路 S R S D gs r gmV g gd C gS C dS C gd r ds r D R G g v S D gmV g gd C gS C ds r G g v S 5 4 小信号参数和等效电路5 4 小信号参数和等效电路 小结小结 结合图5 7分析了JFET所包含的电学属性 结合图5 7分析了JFET所包含的电学属性 分析了文中所介绍的电学参数和交流小信号参数所代表的物理意义 分析了文中所介绍的电学参数和交流小信号参数所代表的物理意义 线性区漏极导纳 线性区漏极导纳 线性区跨导线性区跨导 0 0 0 1 p G V D D dl V V G V I g G 5 12 5 12 Gp D V G D ml VV VG V I g D 00 0 2 5 13 5 13 5 4 小信号参数和等效电路5 4 小信号参数和等效电路 小结小结 饱和跨导饱和跨导 栅极总电容公式 和 栅极总电容公式 和 交流小信号等效电路图5 8 交流小信号等效电路图5 8 考虑到栅极漏泄电流 考虑到栅极漏泄电流 漏串联电阻漏串联电阻和漏极电阻等可以忽略 给出了实际可用的交流 小信号等效电路图5 9 5 14 和漏极电阻等可以忽略 给出了实际可用的交流 小信号等效电路图5 9 5 14 0 0 0 1 p G G Ds m V V G V I g W k ZLCG 0 2 5 5 2222 a k ZLCG 0 4 5 5 2323 5 4 小信号参数和等效电路5 4 小信号参数和等效电路 教学要求教学要求 结合图5 7分析JFET所包含的电学属性 从中总结出 线性区漏极导纳 线性 区跨导 饱和跨导 栅极漏泄电流 栅极电容 器件封装电容 源 漏串联电阻和 漏极电阻等 结合图5 7分析JFET所包含的电学属性 从中总结出 线性区漏极导纳 线性 区跨导 饱和跨导 栅极漏泄电流 栅极电容 器件封装电容 源 漏串联电阻和 漏极电阻等 分析上述电学参数和交流小信号参数所代表的物理意义 分析上述电学参数和交流小信号参数所代表的物理意义 导出线性区漏极导纳公式 5 12 导出线性区漏极导纳公式 5 12 导出线性区跨导公式 5 13 导出线性区跨导公式 5 13 导出饱和跨导公式 5 14 导出饱和跨导公式 5 14 导出栅极总电容公式 5 22 和 5 23 导出栅极总电容公式 5 22 和 5 23 绘出交流小信号等效电路图5 8 绘出交流小信号等效电路图5 8 绘出简化的交流小信号等效电路图5 9 绘出简化的交流小信号等效电路图5 9 作业 5 5 5 6 作业 5 5 5 6 5 5 JFET的截止频率5 5 JFET的截止频率 5 5 JFET的截止频率5 5 JFET的截止频率 截止频率截止频率定义为不能再放大输入信号的最高频率 采用图5 9所示的等效电路 考虑输出短路的情形 当通过输入电容的电流与输出的漏极电流相等时 达到增益为 不 在放大 的条件 输入电流 输出电流 5 25 截止频率 定义为不能再放大输入信号的最高频率 采用图5 9所示的等效电路 考虑输出短路的情形 当通过输入电容的电流与输出的漏极电流相等时 达到增益为 不 在放大 的条件 输入电流 输出电流 5 25 截止频率 0C f gGcoggdgscoin vCfvCCfi 22 5 24 5 24 2 0 2 0 422Lk Nqa C G C g f dn GG m co 5 5 2626 io u tmg g v 5 5 JFET的截止频率5 5 JFET的截止频率 5 26 式中最后的结果是利用了 5 23 式和 5 5 式 5 26 式中最后的结果是利用了 5 23 式和 5 5 式 讨论 讨论 在 5 2在 5 26 6 式中的项等于 因而为夹断电压所决定 在 考虑最高频率时 通常这一项无法调节 5 26 式中其它可调节的量为迁移率和沟 道长度 为了实现最好的高频性能 要有高的迁移率和短的沟道长度 式中的项等于 因而为夹断电压所决定 在 考虑最高频率时 通常这一项无法调节 5 26 式中其它可调节的量为迁移率和沟 道长度 为了实现最好的高频性能 要有高的迁移率和短的沟道长度 a k ZLCG 0 4 L NqaZ G dn 2 0 并令并令 得到的 得到的 m g 0 G 0 2 KNqa d0 2 P V 0C f 5 5 JFET的截止频率5 5 JFET的截止频率 小结小结 1 截止频率 输出短路时 当输入电流与输出电流相等时 达到增益为1 不1 截止频率 输出短路时 当输入电流与输出电流相等时 达到增益为1 不再再放大放大 时的频率 2 截止频率公式 3 实现高频性能的途径 高的迁移率和短的沟道长度 时的频率 2 截止频率公式 3 实现高频性能的途径 高的迁移率和短的沟道长度 0C f 2 0 2 0 422Lk Nqa C G C g f dn GG m co 5 26 5 26 5 5 JFET的截止频率5 5 JFET的截止频率 教学要求教学要求 掌握概念 截止频率掌握概念 截止频率 导出截止频率公式 5 26 导出截止频率公式 5 26 了解实现高频性能的途径 高的迁移率和短的沟道长度 了解实现高频性能的途径 高的迁移率和短的沟道长度 作业 5 7 5 8作业 5 7 5 8 5 6 夹断后的JFET的性能5 6 夹断后的JFET的性能 5 6 夹断后的JFET的性能5 6 夹断后的JFET的性能 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 10 夹断后的沟道长度调制 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 10 夹断后的沟道长度调制 5 6 夹断后的JFET的性能5 6 夹断后的JFET的性能 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 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 P V PD VV P V 5 6 夹断后的JFET的性能5 6 夹断后的JFET的性能 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 10 式求得 式中新的沟道长度承受夹断电压 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 10 式求得 式中新的沟道长度承受夹断电压 P V DSDS L II L 5 27 5 27 L P V 000 00 0 2 1 33 GP D SG p VG V IGV V 5 6 夹断后的JFET的性能5 6 夹断后的JFET的性能 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 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 夹断时小信信号漏极电阻近似地用漏极电流号漏极电阻近似地用漏极电流 电压特性的斜率表示 电压特性的斜率表示 5 29 5 29 2 1 0 2 d PD qN VVk L 2 1 0 2 2 1 2 1 d PD qN VVk LLLL 5 30 5 30 DSDS PD ds II VV I V r 5 31 5 31 5 6 夹断后的JFET的性能5 6 夹断后的JFET的性能 例题 考虑5 2节例题中的JFET 求出和时的漏极电阻 解 取作为V I曲线上的两点供计算 求得 例题 考虑5 2节例题中的JFET 求出和时的漏极电阻 解 取作为V I曲线上的两点供计算 求得 VVV PD 2 0 G V 2 LL L I L L II DSDSDS 2 1 105 106 1 1085 8 12 2 1519 14 V L VVVVVV pDpD 31 和 5 6 夹断后的JFET的性能5 6 夹断后的JFET的性能 在 在 式 5 在 在 式 5 31 可改写成 其中用了 31 可改写成 其中用了 D V mL 52 0 74 29 30 DSDS II D VmL 9 0 55 29 30 DSDS II k II VV r DSDS DD ds 32 106 974 293055 2930 2 3 mAI DS 6 9 5 6 夹断后的JFET的性能5 6 夹断后的JFET的性能 三 漏极击穿 随着漏极电压的增加 会导致栅 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 11中的情形 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 32 式中为击穿时的漏电压 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 11中的情形 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 32 式中为击穿时的漏电压 GDB VVV D V 5 6 夹断后的JFET的性能5 6 夹断后的JFET的性能 5 6 夹断后的JFET的性能5 6 夹断后的JFET的性能 小结小结 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 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 P V PD VV P V 5 6 夹断后的JFET的性能5 6 夹断后的JFET的性能 夹断后漏电流可 夹断后漏电流可 导出了夹断后沟道长度公式导出了夹断后沟道长度公式 定义了小定义了小信信号漏极电阻号漏极电阻 通过例题说明了小通过例题说明了小信信号漏极电阻的计算方法 号漏极电阻的计算方法 JFET的漏极击穿及其机制 随着漏极电压的增加 会导致栅JFET的漏极击穿及其机制 随着漏极电压的增加 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 沟道二极管发生雪崩击 穿 击穿发生在沟道的漏端 DSDS L II L 2 1 0 2 2 1 2 1 d PD qN VVk LLLL DSDS PD ds II VV I V r 5 30 5 31 5 30 5 31 小结小结 5 6 夹断后的JFET的性能5 6 夹断后的JFET的性能 教学要求教学要求 说明沟道长度调制效应 说明沟道长度调制效应 为什么夹断后漏电流可以写做 为什么夹断后漏电流可以写做 导出夹断后沟道长度公式 5 30 导出夹断后沟道长度公式 5 30 了解小了解小信信号漏极电阻的定义公式 5 31 号漏极电阻的定义公式 5 31 通过例题掌握小通过例题掌握小信信号漏极电阻的计算方法 号漏极电阻的计算方法 了解JFET的漏极击穿及其机制 了解JFET的漏极击穿及其机制 DSDS L II L 5 7金属5 7金属 半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管 MESFET的基本结构 图5 12 MESFET的 MESFET的基本结构 图5 12 MESFET的俯俯视图 实际的MESFET是利用半绝缘的GaAs衬底上的一层外延层制造的 以减小寄生电阻 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N型外延层顶面上形成的 视图 实际的MESFET是利用半绝缘的GaAs衬底上的一层外延层制造的 以减小寄生电阻 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N型外延层顶面上形成的 5 7金属5 7金属 半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管 MESFET的两种类型MESFET的两种类型 常闭型或增强型 时常闭型或增强型 时MESFET的肖特基势垒穿透了外延层达到绝 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 的肖特基势垒穿透了外延层达到绝 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 时常开型或耗尽型 时MESFET的肖特基势垒没有达到半绝缘衬底 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 的肖特基势垒没有达到半绝缘衬底 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MESFET与与JF ET工作原理相同 因此 前面几节对工作原理相同 因此 前面几节对JFET所给出的理论的公式 都适合于所给出的理论的公式 都适合于MESFET 不过对于增强型 不过对于增强型MESFET 5 5 6 6 式中的通常换成 称为阈值电压 显 然 式中的通常换成 称为阈值电压 显 然 总是正的 此外 由于MESFET没有下沟道 因此其漏电流应是 5 4 式中的 一半 总是正的 此外 由于MESFET没有下沟道 因此其漏电流应是 5 4 式中的 一半 0 G VGaAsN GaAsN 0 G V 0 G V P V THV THVTHV 00THp VV 5 7金属5 7金属 半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管 小结小结 介绍了MESFET的基本结构和工作原理 介绍了MESFET的基本结构和工作原理 介绍了MESFET和介绍了MESFET和GaAs MESFET的突出特点 金属 MESFET的突出特点 金属 半导体接触工艺允许MESFET的沟道做得更短 有利于提高器件的开关速度 和工作频率 硅的MESFET难以制作 要倾注很大力量 防止淀积金属前硅表面生成天 然氧化层 N GaAs与金属的肖特基势垒高度在0 72 0 90V范围内 对于通常淀积金属 前的GaAs表面处理不灵敏 金属与GaAs之间的界面陷阱不妨碍偏压对耗尽层厚度的调 整 这为制作GaAs MESFET提供了必要的条件 GaAs的电子迁移率约为硅的六倍 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N GaAs MESFET 不 论作为分立器件或以 半导体接触工艺允许MESFET的沟道做得更短 有利于提高器件的开关速度 和工作频率 硅的MESFET难以制作 要倾注很大力量 防止淀积金属前硅表面生成天 然氧化层 N GaAs与金属的肖特基势垒高度在0 72 0 90V范围内 对于通常淀积金属 前的GaAs表面处理不灵敏 金属与GaAs之间的界面陷阱不妨碍偏压对耗尽层厚度的调 整 这为制作GaAs MESFET提供了必要的条件 GaAs的电子迁移率约为硅的六倍 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N GaAs MESFET 不 论作为分立器件或以ICIC形式出现 情况都是如此形式出现 情况都是如此 5 7金属5 7金属 半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管 小结小结 MESFET的两种类型 MESFET的两种类型 a 常闭型或增强型 时常闭型或增强型 时MESFET的肖特基势垒穿透了的肖特基势垒穿透了N CaAS外延层达到绝缘衬 底 因此不出现导电沟道 外延层达到绝缘衬 底 因此不出现导电沟道 b 常开型或耗尽型 时常开型或耗尽型 时MESFET的肖特基势垒没有达到半绝缘衬底 时 就存在导电沟道 的肖特基势垒没有达到半绝缘衬底 时 就存在导电沟道 前面几节对前面几节对JFET所给出的理论的公式 都适合于所给出的理论的公式 都适合于MESFET 对于增强型 MESFET 通常换成 称为阈值电压 总是正的 此外 由于没有下沟道 因此其漏电流应是 5 4 式中的一半 对于增强型 MESFET 通常换成 称为阈值电压 总是正的 此外 由于没有下沟道 因此其漏电流应是 5 4 式中的一半 0 G V 0 G V0 G V P V 5 33 5 33 00THp VV THV THV THV 5 7金属5 7金属 半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管 教学要求教学要求 掌握MESFET的基本结构和工作原理 掌握MESFET的基本结构和工作原理 了解MESFET的突出特点 了解MESFET的突出特点 了解MESFET的两种类型 了解MESFET的两种类型 试导出增强型MESFET的I V特性 试导出增强型MESFET的I V特性 5 8 JFET和MESFET的类型5 8 JFET和MESFET的类型 5 8 JFET和MESFET的类型5 8 JFET和MESFET的类型 耗尽 depletion 型 栅偏压为零时就存在导电沟道 而欲使沟道夹断 必须施加反向 偏压 使沟道内载流子耗尽 常开型normally on 增强 enhancement 型 栅偏压为零时 沟道是夹断的 只有外加正偏压时 才能开始 导电 常闭型normally off N 沟耗尽 depletion 型 N 沟增强 enhancement 型 P 沟耗尽 depletion 型 P 沟增强 enhancement 型 耗尽 depletion 型 栅偏压为零时就存在导电沟道 而欲使沟道夹断 必须施加反向 偏压 使沟道内载流子耗尽 常开型normally on 增强 enhancement 型 栅偏压为零时 沟道是夹断的 只有外加正偏压时 才能开始 导电 常闭型normally off N 沟耗尽 depletion 型 N 沟增强 enhancement 型 P 沟耗尽 depletion 型 P 沟增强 enhancement 型 5 8 JFET和MESFET的类型5 8 JFET和MESFET的类型 5 9异质MESFET结和HEMT5 9异质MESFET结和HEMT 5 9异质MESFET结和HEMT5 9异质MESFET结和HEMT 一 异质结MESFET 异质结MESFET的主要优点是工作速度快 称为快速晶体管 各半导体层是利用分子束外延技术在方向的半绝缘磷化铟衬底上生长的 半导 体层和磷化铟衬底具有良好的晶格匹配 这使界面陷阱密度很低 图5 14b是热平衡 时的能带图 顶部的层和铝栅极形成肖特基势垒 若用Al直接和有源 层接触 势垒太低 层称为有源层 沟道中的电子被限制在该层内 这一有源层载流子迁 移率比GaAs的高 所以能获得较高的跨导和较高的工作速度 一 异质结MESFET 异质结MESFET的主要优点是工作速度快 称为快速晶体管 各半导体层是利用分子束外延技术在方向的半绝缘磷化铟衬底上生长的 半导 体层和磷化铟衬底具有良好的晶格匹配 这使界面陷阱密度很低 图5 14b是热平衡 时的能带图 顶部的层和铝栅极形成肖特基势垒 若用Al直接和有源 层接触 势垒太低 层称为有源层 沟道中的电子被限制在该层内 这一有源层载流子迁 移率比GaAs的高 所以能获得较高的跨导和较高的工作速度 AsInAl 52 048 0 V b 8 0 0 470 53a GInAs 5 9异质MESFET结和HEMT5 9异质MESFET结和HEMT 图5 14 a 双异质结MESFET的截面图图5 14 a 双异质结MESFET的截面图 InP衬底 100 S G D a nmAlInAs 60 nmGaInAs145 nmAlInAs100 5 9异质MESFET结和HEMT5 9异质MESFET结和HEMT 下图是热平衡时的能带图 图5 14 b 热平衡时的能带图 下图是热平衡时的能带图 图5 14 b 热平衡时的能带图 eV46 1 eVEg46 1 eV75 0eV3 1 AlInAs AlInAs GaInAs Al InP eV8 0 沟 道 c E v E F E F E b 5 9异质MESFET结和HEMT5 9异质MESFET结和HEMT 二 HEMT二 HEMT 叫作高电子迁移率晶体管 它是另一种类型的异质结 基本结构如图5 15a所示 叫作高电子迁移率晶体管 它是另一种类型的异质结 基本结构如图5 15a所示 5 9异质MESFET结和HEMT5 9异质MESFET结和HEMT 基本结构 基本结构 在不掺杂的衬底上外延生长一的宽禁带的 层 在层上再生长一层控制层 它和金属栅 极形成肖特基势垒 和层形成异质结 层的厚度和掺 杂浓度 典型值为数十和 决定器件的阈值电压 在不掺杂的衬底上外延生长一的宽禁带的 层 在层上再生长一层控制层 它和金属栅 极形成肖特基势垒 和层形成异质结 层的厚度和掺 杂浓度 典型值为数十和 决定器件的阈值电压 GaAsi nm7 2AsGaAli xx 1 AsGaAli xx 1 AsGaAlN xx 1 GaAs AsGaAlN xx 1 31817 10 10 cm nm 5 9异质MESFET结和HEMT5 9异质MESFET结和HEMT 工作原理 工作原理 1 通过对栅极加正向偏压 可以将电子引入异质结界面处的层 1 通过对栅极加正向偏压 可以将电子引入异质结界面处的层GaAs中 如果中 如果AlGaAs 层较厚或者掺杂浓度较高 则栅压时 异质结界面处的层较厚或者掺杂浓度较高 则栅压时 异质结界面处的GaAs表面的电子势阱 内已经有电子存在 表面的电子势阱 内已经有电子存在 MESFET是耗尽型的 相反 如果是耗尽型的 相反 如果AlGaAs层较薄或者掺杂浓度较 低 时耗尽层伸展到 层较薄或者掺杂浓度较 低 时耗尽层伸展到GaAs内部 势阱内没有电子 器件是增强型的 2 内部 势阱内没有电子 器件是增强型的 2 AlGaAs禁带宽度比禁带宽度比GaAs的大 它们形成异质结时 导带边不连续 的大 它们形成异质结时 导带边不连续 AlGaAs的导 带边比 的导 带边比GaAs的高 结果电子从的高 结果电子从AlGaAs向向GaAs转移引起界面处能带弯曲 在转移引起界面处能带弯曲 在Ga As表面形成近似三角形的电子势阱 当势阱较深时 电子基本上被限制在势阱宽度所 决定的薄层 表面形成近似三角形的电子势阱 当势阱较深时 电子基本上被限制在势阱宽度所 决定的薄层 约约 内 这样的电子系统被称为二维电子气 2DEG 内 这样的电子系统被称为二维电子气 2DEG 0 G V 0 G V C E nm100 5 9异质MESFET结和HEMT5 9异质MESFET结和HEMT 3 2DEG是指电子 或空穴 被限制在平行于界面的平面内自由运动 而在垂直于界面 的方向上受到限制 势阱的深度受到栅偏压的控制 故2DEG的浓度 面密度 将 受到的控制 从而器件的电流受到的控制 3 2DEG是指电子 或空穴 被限制在平行于界面的平面内自由运动 而在垂直于界面 的方向上受到限制 势阱的深度受到栅偏压的控制 故2DEG的浓度 面密度 将 受到的控制 从而器件的电流受到的控制 HEMT的特点 HEMT的特点 2DEG和提供自由电子的N2DEG和提供自由电子的N AlGaAs层之间夹着不掺杂AlGaAs的薄层 从而基本上不受电 离杂质散射 迁移率显著增加 比体材料的电子迁移率高得多 GaAs不掺杂 也是 为了避免陷阱内电离杂质散射 这种器件依靠迁移率很高的2DEG导电 具有更大的工 作速度和更高的截止频率 因此 这种结构的MESFET常称为2DEG场效应晶体管 TEGF ET 或调制掺杂场效应晶体管 MODFET 或选择掺杂异质结晶体管 前者说明这种器 件高频 高速的原因是电子迁移率高 后者强调得到高迁移率的方法是调制掺杂或者 说选择掺杂 通常把这种器件称为高电子迁移率晶体管 HEMT AlGaAs层之间夹着不掺杂AlGaAs的薄层 从而基本上不受电 离杂质散射 迁移率显著增加 比体材料的电子迁移率高得多 GaAs不掺杂 也是 为了避免陷阱内电离杂质散射 这种器件依靠迁移率很高的2DEG导电 具有更大的工 作速度和更高的截止频率 因此 这种结