第四章结型场效应晶体管(JFET).

第四章结型场效应晶体管 JFET 结型场效应晶体管GaAs MESFETHEMT 1 History 30年代 美国的J E Lilienfeld O Heil提出场效应晶体管的设想 1952年 W Shockley提出第一个现代场效应晶体管 即JFET 1960MOSFET Kahng和Atalla提出第一个MOS器件 栅长20微米 栅氧化层厚度100nm 铝栅电极 AL SiO2 Si 1972年 CMOS技术以低功耗等优点在大规模生产的LED电路中采用 1980MODFET 调制掺杂型场效应晶体管 会是最快的场效应晶体管 200115nmMOSFET 最先进的集成电路芯片的基本单元 可容纳1万亿以上的管子 通过加在半导体表面上的垂直电场来调制半导体的的现象称为场效应 场效应晶体管 FieldEffectTransistor FET 是另一类重要的微电子器件 这是一种电压控制型多子导电器件 又称为单极型晶体管 这种器件与双极型晶体管相比 有以下优点 输入阻抗高 温度稳定性好 噪声小 大电流特性好 无少子存储效应 开关速度高 制造工艺简单 各管之间存在天然隔离 适宜于制作VLSI JFET和MESFET的工作原理相同 以JFET为例 用一个低掺杂的半导体作为导电沟道 在半导体的一侧或两侧制作PN结 并加上反向电压 利用PN结势垒区宽度随反向电压的变化而变化的特点来控制导电沟道的截面积 从而控制沟道的导电能力 两种FET的不同之处仅在于 JFET是利用PN结作为控制栅 而MESFET则是利用金 半结 肖特基势垒结 来作为控制栅 IGFET的工作原理略有不同 利用电场能来控制半导体的表面状态 从而控制沟道的导电能力 根据沟道导电类型的不同 每类FET又可分为N沟道器件和P沟道器件 J FET的基本结构 源 漏 MESFET的基本结构 结型场效应晶体管 JFET 基本性能基本结构 特性曲线 直流参数 小信号参数 频率参数 短沟道JFET 噪声特性 实际结构举例 2 JFET的基本结构和工作原理n沟道JFET 衬底是低阻n型 2个对称的p n结构成栅极 中间留有沟道 长为L 宽为W 工作 电压控制沟道的电阻 Rmin L q n ND 2 a x0 W 在平衡 不加电压 时 沟道电阻最小 电压VDS和VGS都可改变栅结势垒宽度 改变沟道电阻 从而改变IDS n P P S D G G 2a L W 3 JFET的输出特性 在VGS 0和正常VDS时 线性电阻段 A点 沟道夹断点 B点 电流饱和段 C点 在VDS较大时 漏端栅结雪崩击穿 源 漏击穿电压BVDS随着反向VGS的增大而下降 对应于D点 4 VDS IDS IDsat VDSat VGS 0 VGS 0 C B A 夹断 饱和 击穿 0 沟道夹断 G G S D BVDS 电流饱和机理 长沟道 沟道夹断 短沟道 速度饱和 D JFET的转移特性 最大饱和漏极电流IDSS G S电压为0时 IDS 0 而为IDSS 夹断电压VP 当G S电压为负 VGS 0 时 沟道变窄 当VGS VP时 沟道夹断 IDS 0 根据栅p n结耗尽层厚度等于沟道宽度 得 VP qNDa2 2 0 NDa2 由输出特性曲线可以求得在某一定VDS时的转移特性曲线 JFET的代表符号 5 VGS IDS IDSS VP 0 P沟耗尽型 n沟耗尽型 n沟增强型 p沟增强型 JFET的直流伏安特性 沟道夹断前的ID 在 n 常数和缓变沟道近似 GCA 下 有ID G0 VDS 2 3a 2 0 qND VDS Vbi VGS 3 2 Vbi VGS 3 2 G0 2aWq nND L是冶金学结之间沟道的电导 不计耗尽层 沟道夹断后的饱和电流IDsat 把饱和电压VDSat代入到ID 即得到IDsat IDSS 1 3 Vbi VGS VP0 2 Vbi VGS VP0 3 2 IDSS 1 Vbi VGS VP0 2 其中IDSS是最大饱和漏极电流 VP Vbi VP0 VP0是夹断电压 线性区的ID VDS Vbi VGS ID G0 1 Vbi VGS VP0 1 2 VDS VDS 6 JFET的直流伏安特性 缓变沟道近似 GCA 在栅结势垒中 认为主要是电场E x 的作用 即有E x E y V x V y或 2V x2 2V y2 这表明等位面在势垒中是 x方向的 与沟道平行 则沟道宽度沿y方向不变 缓变 于是栅结势垒宽度只受E x 控制 求解其中的Poisson方程即可得到势垒宽度 在沟道中 认为主要是电场E y 的作用 即有E y E x V y V x或 2V y2 2V x2 这表明沟道中的等位面是 y方向的 沟道宽度缓变 于是沟道电流主要受E y 控制 有ID A y q nNDE y 总之 GCA就是用两组相互垂直的等位面来描述E x 和E y 的作用 即是把E x 和E y 的作用分开来考虑 栅结势垒宽度只决定于E x 沟道电流只决定于E y 在夹断区 该近似不适用 因Ey不再缓变 对短沟道器件 该近似也不适用 GCA只适用于长沟道器件 JFET的输出电流ID的计算 计算沟道夹断前的ID 令 n 常数 根据GCA 由J y y Ey y V y y和栅结势垒厚度 xn y 2 0 Vbi VGS V y qND 1 2有 ID q nnEyA y q nND2W a xn y V y y 2q nNDW a 2 0 Vbi VGS V y qND 1 2 dV y dy 积分 y 0 L V 0 VDS 就得到I V特性 ID G0 VDS 2 3a 2 0 qND 1 2 VDS Vbi VGS 3 2 Vbi VGS 3 2 G0 2aWq nND L是冶金学结之间沟道的电导 不计耗尽层 S D饱和电压VDSat 加有电压VDS时 VDS将在沟道各点产生不同的压降 则使栅p n结的耗尽层厚度沿着沟道变化 当漏极端的沟道刚被夹断时的VDS 就是VDSat 栅p n结的耗尽层厚度为xn 2 0 Vbi VGS VDS qND 1 2则由xn a即求得VDSat qNDa2 2 0 Vbi VGS VGS VP可见 当VGS 0时 VDSat也就是VP 沟道刚被夹断 负的VGS增大时 VDSat也相应变小 VDS VDSat时 夹断区扩大 有效沟道缩短 其上的电压保持为VDSat ID变化不大 为饱和电流Idsat 沟道夹断后的IDsat可把VDSat代入到上面ID表示式中来求得饱和电流 IDSat IDSS 1 Vbi VGS VP0 2 IDSat与VDS无关 其中最大饱和漏极电流IDSS VGS 0 IDSS 2a3Wq2 nND2 6 0L 2 3 a W L VP0 夹断电压VP Vbi VP0 VP0 VP qNDa2 2 0 讨论 漏极电流ID与 W L 成正比 则为了增大电流 常常是W L 漏极电流ID与 n成正比 在沟道夹断后 电流饱和 IDSat与VDS无关 但若考虑到有效沟道长度的调制效应 则电流并不饱和 电流饱和的机理 对长沟道JFET 是在迁移率恒定下的沟道夹断 对短沟道JFET JFET的直流参数 夹断电压VP 主要与沟道掺杂浓度和原始沟道厚度有关 最大饱和漏极电流IDSS 与沟道尺寸和掺杂浓度有关 最小沟道电阻 导通电阻 Rmin 直接影响到器件的耗散功率 栅极截止电流IGSS和栅源输入电阻RGS IGSS就是栅p n结的反向漏电流 则RGS很高 但IGSS比单个p n结的反向漏电流要大 栅源击穿电压BVDS 是漏端栅p n结的反向击穿电压 BV VGS 输出交流功率P0 与容许最大漏极电流和容许D S最高峰值电压成比例 P0 IDSS BVDS VDSat 7 输出交流信号功率P0的计算 8 VDS ID IDSS 0 ID t VDSat BVDS t v0 i0 交流信号的最大幅度 V0 BVDS VDsat 2 i0 IDSS 2 JFET的交流小信号参数 跨导gm gm ID VGS VDS 常数 非饱和区 gm G0 1 VP0 1 2 VDS Vbi VGS 1 2 Vbi VGS 1 2 在线性区gm VDS 饱和区 gmsat G0 1 Vbi VGS VP0 1 2 当VGS Vbi时 gmsat最大 gmmax G0 2aWq nND L 有效跨导 gmeff gm 1 gmRS 串联电阻的存在 漏电导gD gD ID VDS VGS 常数 非饱和区 gD G0 1 Vbi VGS VDS VP0 1 2 在VDS很小时 得到线性区电导gDL G0 1 Vbi VGS VP0 1 2 gmsat 饱和区 理想的电导 0 但实际上为一有限值 有效漏导电gDeff 计入源和漏的串联电阻 gDeff gD 1 gD RS RD JFET的交流小信号等效电路 JFET的低频交流小信号等效电路本征晶体管 RS RD 本征晶体管 输入电流 0 输出电流iD gDvDS gmvGS G D S S RS RD gD GmVGS vDS vGS 本征晶体管 S D D G G gD p p n RS RD gD 1 10 iD JFET的小信号高频等效电路 端电流 交流分量计入通过电容的位移电流 等效电路中的元件 栅 源电容Cgs 是栅结耗尽层电容 栅 漏电容Cgd 是漏端的栅 漏之间的耗尽层电容 反馈电容 其作用是反映漏极与栅极之间的反馈作用 栅电容Cg 是栅极下面的总电容 Cgs Cgd Cdc为饱和时 速度饱和区的静电偶极层电容 Cds 是引线和封装引入的寄生电容 L 引线电感 一般 RG Cdc Cds都很小 Cgd往往也较小 而且也可略去电感 则可得到简化的高频等效电路 JFET的高频交流小信号等效电路 11 G S S D S LS LD LG RG RD RS2 RS1 Rgs gD 本征晶体管 Cds Cdc Cgd Cgs gmvgs G D S JFET的频率参数 特征频率 截止频率 fT 是共源 输出端短路 电流放大系数为1 即输入电流 输出电流 时的频率 也称为共源组态的增益 带宽乘积 TCgsvgs gmvgs fT gm 2 Cgs 1 2 fT决定于栅极下的渡越时间 a 当栅压上升 使得gm最大 为G0 和Cgs最小时 则fT最大 fTmax G0 2 Cgsmin 2 VP0 L2 b 提高fT的措施 增大跨导 减小栅电容 减短沟长 增大 或vSL 12 S Cgd vds 简化的小信号高频等效电路 vgs G D S gmvgs gD Cgs 例1 对n 沟Si JFET 已知ND 1016cm 3 NA 1019cm 3 a 1 m L 20 m W 100 m n 1350cm2 V s 计算夹断电压 VG 0时的夹断饱和电流和截止频率 解 夹断电压VP qNDa2 2 0 7 6V 最大饱和漏极电流 IDSS 2a3Wq2 nND2 6 0L 6 4 10 3A 又Vbi kT q ln NAND ni2 0 87V 所以 IDsat 1 56A 截止频率 fT gm 2 Cgs 2a3q nND 0L2 3 3GHz 短沟道JFET的特性 1 高场迁移率的影响 在电场很强 10kV cm 时 将随电场变化 n 低 1 E EC 则使冶金沟道的电导由G0减低为G0 G0 1 VDS L vsL G0 1 VDS LEC 而电流 电压的关系保持不变 这时高电场的影响就是使ID降低 1 VDS LEC 倍 而且沟道越短 这种电流的降低幅度就越大 使gm也相应降低 1 VDS LEC 倍 14 VDS ID 0 长沟道JFET 短沟道JFET 3 短沟道速度饱和的影响 电流饱和机理 在VDS VDsat时 在漏端处产生偶极畴 并且VDS的增大是使偶极畴扩展 大部分VDS降落在偶极畴上 电流饱和 饱和电流 IDS qvsWND a h IDS qvsWNDa 1 Vbi VGS VP 1 2 本征跨导 gm vsWCGS gm CGS const S D G h a 偶极畴 15 JFET的高频噪声 产生噪声的机理有三 沟道热噪声 多子在沟道电阻上所产生的热噪声 与温度有关 与频率无关 iD2 4kTgmmax f 诱生栅极噪声 与频率有很大关系 iG2 4kT f 2Cgs2 gmmax 扩散噪声 由电荷偶极畴的产生和运动所致 在短沟道的微波MESFET中可起主要作用 特点 1 JFET的噪声比BJT的要低得多 因无少子产生 复合所引起的散粒噪声 2 在不同频段 JFET的噪声成分不同 低频段 沟道热噪声 高频段 诱生栅极噪声 对短沟道器件 主要是偶极畴引起的扩散噪声 16 低频段 高频段 多子电流起伏 诱生栅噪音 热噪音 JFET的二种结构 举例 1 GaAs JFET 有2种结构型式 同质结的和异质结的 2 V型槽JFET 比平面JFET优越 沟长短 则导通电阻小 跨导大 n n n p n GaAs GaAs S S D D G G p AlGaAs 同质结GaAs JFET 异质结GaAs H JFET S D G 100 p Si n n n n n n V型槽 JFET 17 增强型JFET E JFET 长沟道E JFET 与长沟道D JFET的不同点 原始沟道窄 使得在栅压为0时沟道即被夹断 加正栅压 必须小于0 5V 才产生沟道而导电 输出伏安特性仍然为饱和特性 一般不用 但在高速和低功耗场合有用 短沟道E JFET SIT 静电感应晶体管 a 特点 原始沟道较窄 在栅压为0时沟道即被耗尽 在栅极上加上一定的反向栅偏压 使沟道形成电子势垒 VDS和VGS都可改变势垒高度 从而可控制输出电流 不饱和的指数输出伏安特性 b SITH 把SIT的漏区n 改换为p 即得 工作时高阻漂移区将发生电导调变 则导通压降低 但开关速度也有所降低 c BSIT 把SIT的原始沟道做得很窄 使得在栅压为0时即已形成电子势垒 只有加上正栅偏压时才能产生导电 工作状态类似双极型器件 而且具有饱和输出伏安特性 18 静电感应晶体管 SIT 19 n n n p p S D G G S G D ID VDS VGS 0 VGS 0 0 基本结构 电子势能 伏安特性 GaAs MESFET 20 Schottky势垒 金属 金属 q s q q m qVbi q n 金属 qVbi q n q q m 理想的M S接触 热平衡 实际的M S接触 热平衡 q o Schottky二极管 伏安特性 主要是多数载流子电流 而且主要是热离子发射式的电流 J JS M JM S JS exp eV kT 1 式中JS A T2exp q n kT 与p n结的比较 伏安特性类似 但电流大得多 导通电压低得多 等效电路 由结电容Cj 二极管结电阻rd和串联电阻rs构成 通常rs rd 故低频时rs可忽略 但在高频时 由于结阻抗Z的降低 吸收的功率相对rs上耗散的功率减少 则需要计入rs 截止频率fT 结阻抗Z吸收的功率 rs耗散的功率时的频率 时的频率 定义为截止频率 fT 1 2 Cj2rdrs 1 2 为提高 要求Cj rd和rs都较低 rs rd Cj 附 欧姆接触基本要求 接触电阻要小 小于半导体的体电阻 即要求接触电阻率 比接触电阻 c小 c J V 1 V 0 cm2 对于低掺杂半导体 因通过M S接触的电流是热发射电流 则 c与M S接触势垒高度有指数关系 必须降低M S接触势垒高度才能实现欧姆接触 对于高掺杂半导体 这时通过M S接触的电流主要是隧道电流 则 c随半导体掺杂浓度的提高近似指数式下降 必须增大衬底掺杂浓度才能实现欧姆接触 获得欧姆接触的方法有 衬底高掺杂或 和 降低M S接触势垒高度 GaAs MESFET概要 GaAs外延材料 n GaAs的 n比硅的大5倍 峰值漂移速度大2倍 衬底可用SI GaAs 减小寄生电容 栅极 用金属 半导体接触代替结型栅 可低温形成 能采用GaAs材料 但是与p n结栅相比 热稳定性较差 漏电流较大 逻辑摆幅较小 抗噪声电平高 可靠性高等 工作原理 与JFET基本相同 但是 在短沟道 0 5 2 m MESFET中 速度饱和模型能较好地描述I V特性 虽然饱和机理与Si和SiC等的不同 但同样都产生偶极畴 使电流饱和 对于栅长 0 5 m者 电子的输运将是瞬态的 有速度过冲 对短沟Si器件 无明显的速度过冲 21 阈值电压VT GaAs中的电子迁移率比空穴的大得多 集中讨论n沟道的MESFET 例2计算某一阈值电压时 GaAsMESFET的沟道厚度 对于一个金肖特基势垒接触的n沟道掺杂浓度为ND 1015cm 3 VT 0 25V 假定势垒高度 计算其沟道厚度 解 MESFET的几种栅结构 基本考虑 栅极下的掺杂浓度 1017cm 3 采用缓冲层 采用n 层来做接触 采用栅缓冲层 采用埋栅或凹栅结构 采用自对准结构 采用双栅结构 S S S S S D D D D D G G G G G2 G1 缓冲层 缓冲层 缓冲层 双栅结构 埋栅结构 自对准栅结构 缓冲层 栅缓冲层结构 半绝缘栅结构 Ar 轰击高阻区 n n n n n n n 22 GaAs MESFET的高频噪声 对一般MESFET 有福井半经验公式 F 1 K f fT gm RG RS 对短沟道MESFET F 1 fL 4 gm RG RS 降低MESFET噪声的措施 降低RG和RS 降低gm 如采用缓变沟道 提高fT 减短L MESFET噪声大小 举例 L 1 m W 250 m C波段 1dB 相应的BJT为2dB Ku波段 2 5 3dB 相应的BJT为5dB 23 高电子迁移率晶体管 HEMT 又称为调制掺杂场效应晶体管MODFET或2 DEGFET TEGFET 或选择掺杂异质结晶体管 SDHT 24 FET IC在实现超高频和超高速上的问题 要求 信号传输延迟时间 d短 d CL nVm 增大Vm 提高 n和减小CL 器件开关能量E要小 IC不致因发热而损坏 E Pd d CLVm2 2 降低Vm 降低P 见到 在对Vm的要求上 缩短 d与降低E是互相矛盾的 解决办法就是在适