第五单元-金属与半导体(2)讲解.ppt

五 结型场效应晶体管 JFET 1 JFET的基本结构和工作原理利用一P N结作为栅电极控制电阻 实现对两个欧姆结之间的电流控制 结型场效应晶体管基本上是一个电压控制的电阻 它的阻值是通过改变伸入沟道的耗尽层厚度 即通过改变导电沟道的截面积来调制的 当VGS 0时 对N沟器件 当VDS值比栅结的接触电势差VD小时 沟道近似于一个阻值一定的电阻 漏电流ID与漏电压VDS成正比 当VDS增加时 耗尽区向N型沟道扩展 沟道变窄 电阻变大 当VDS增加到某一值时 出现沟道夹断 随着VDS的增加 夹断点向源极移动 漏电流不再随VDS而显著增加 电流出现饱和现象 当栅源之间加电压时 漏电流只要增大到比VGS 0时低一个VGS值时 沟道就会夹断 JFET特点 A电压控制型器件B多子器件 工作频率高C与BJT及MOS工艺兼容 2 理想JFETI V特性假设 A单变突变结B沟道内杂质分布均匀C沟道内载流子迁移率为常数D忽略接触压降E缓变沟道近似 即空间电荷区内电场沿y方向 而中性沟道区内电场只有X方向的分量 外加电压为零时 平衡栅结耗尽层宽度 5 44 平衡时的沟道电导 5 45 栅结上加反向偏置VGS时 耗尽区向沟道区扩展的宽度 5 46 沟道电导 5 47 使沟道消失的栅源电压称为阈值电压VT或夹断电压VP 由式 5 46 得本征夹断电压为 5 48 当漏源电压达到饱和电压时 亦会出现沟道夹断 5 49 3 线性区I V特性 5 49 4 夹断前的I V特性在沟道y处 实际加在栅结上的偏置电压为 5 50 在沟道y处的导电沟道截面积 5 51 通过y处的电流 5 52 根据电流的连续性得漏电流 5 53 对上式积分得 5 54 5 夹断后的漏特性在长沟道器件中忽略夹断点前移对沟道长度的影响得 5 55 六 金属 半导体场效应晶体管 MESFET MESFET常采用半绝缘GaAs上外延一N GaAs 然后蒸发上源 漏和栅形成金 半工艺沟道更短 工作频率更高 MESFET共具有三个金属 半导体接触 一个肖持基接触作为栅极以及两个当作源极与漏极的欧姆接触 图 a 所示为MESFET的透视图 主要的器件参数包含栅极长度L 栅极宽度Z以及外延层厚度a 大部分的MESFET是用n型 V族化合物半导体制成的 如砷化镓 因为它们具有较高的电子迁移率 可以减小串联电阻并且具有较高的饱和速度而使得截止频率增高 实际制造的MESFET通常在半绝缘衬底上生长一外延层以减少寄生电容 通常以栅极尺寸来叙述一个MESFET 若栅极长度 L 为0 5 m 栅极宽度 Z 为300 m 则称之为0 5 m 300 m的器件 对传统微波或毫米波器件而言 其栅极长度通常是在0 1 m 1 0 m的范围内 传统外延层厚度a则约为栅极长度的1 3 1 5 而电极间距约是栅极长度的l 4 电流操控能力直接正比于栅极宽度Z 因为沟道电流的截面积与Z成正比 MESFET的原理结构如下图所示 将源极接地 栅极电压与漏极电压是相对源极测量而得 正常工作情形下 栅极电压为零或是被加以反向偏压 而漏极电压为零或是被加以正向偏压 也就是说VG 0而VD 0 对于沟道为n型材料的器件称为n沟道MESFET 在大多数的应用中是采用n沟道MESFET而非p沟道MESFET 这是因为n沟道器件具有较高的电子迁移率 沟道电阻可被表示为 其中ND是施主浓度 A是电流流动的截面积 而W是肖特基势垒的耗尽区宽度 当没有外加栅极电压且VD很小时 如图 a 所示 沟道中有很小的漏极电流流通 此电流大小为VD R 其中R为沟道电阻 因此 电流随漏极电压呈线性变化 当然 对任意漏极电压而言 沟道电压是由源极端的零渐增为漏极端的VD 因此 沿着源极到漏极肖特基势垒的反向偏压渐强 当VD增加 W也随着增加 使得电流流动的平均截面积减小 沟道电阻R也因此增加 这使得电流以较缓慢的速率增加 随着漏极电压的持续增加 最终将使得耗尽区接触到半绝缘衬底 如图 b 所示 此现象的发生是当漏极端有W a 由 令V VDsat 可以求出相对应的漏极电压值 称为饱和电压VDsat 在此漏极电压时 源极和漏极将会被夹断或说是被反向偏压的耗尽区完全分隔开 P点为夹断点 此点对应的漏极电流称为饱和电流IDsat 在夹断点后 当VD进一步增加 则靠近漏极端的耗尽区将逐渐扩大 而P点将往源极端移动 如图 c 所示 然而 P点处的电压维持为VDsat 因此 每单位时间由源极移往P点的电子数目以及沟道内的电流也维持不变 这是因为在沟道中 由源极到P点的电压降维持不变 当漏极电压大于VDsat时 电流基本上维持在IDsat 且与VD无关 当加入反向栅极偏压时 耗尽区宽度W随之增加 对较小的VD而言 沟道就像是电阻器一般 但是具有较高的阻值 这是因为沟道的截面积减小的关系 如图 d 所示 VG 1V的初始电流比VG 0时的初始电流来得小 当VD增加至某一特定值时 耗尽区将接触到半绝缘衬底 此时VD值为 对n沟道MESFET而言 栅极电压相对于源极为负值 所以在上述各式中 使用VG的绝对值 由上式可以看出 外加的栅极电压使得开始发生夹断时所需的漏极电压减小了VG的值 电流电压特性 考虑在开始夹断前的MESFET 如图 a 所示 沿着沟道的漏极电压变化如图 b 所示 沟道基本片段dy两端的电压降可表示为 其中 以dy替换了L 与源极相距y处的耗尽区宽度则可表示为 漏极电流ID为一定值 且与y无关 故 漏极电压的微分dV可由 将dV代入前式 并由y 0积分到L 可得 电压VP称为夹断电压 也就是当W2 a时的总电压之和 VD VG Vbi 图显示了一夹断电压为3 2V的MESFET的I V特性 所示的曲线是当0 VD VDsat时由上式I的公式计算得到 根据之前的讨论 当电压超过VDsat时 电流被看作是一定值 注意电流 电压特性中有着三个不同的区域 当VD比较小时 沟道的截面积基本上与VD无关 此I V特性为欧姆性质或是线性关系 于是将这个工作原理区域视为线性区 当VD VDsat时 电流于IDsat达到饱和 将这个工作原理区域称为饱和区 当漏极电压进一步增加 栅极 沟道间二极管的雪崩击穿开始发生 这使得漏极电流突然增加 这就是击穿区 在线性区中 其VD VG MESFET的一项重要参数是跨导 它表示了在某个特定漏极电压下 相对于栅极电压的变化所造成漏极电流的变化 由上式得到 在饱和区中 漏极电流为夹断点时的电流 也就是当VP VD VG Vbi时的电流 即 饱和区中的跨导为 在击穿区中 击穿电压发生在沟道中具有最高反向电压的漏极端 击穿电压 仅考虑了耗尽器件 也就是器件在VG 0时具有一可导电的沟道 而对高速 低功率的应用而言 增强型器件则是较佳的选择 此种器件在VG 0时没有导通的沟道 即栅极接触的内建电势足以耗尽沟道区 如半绝缘衬底上生长一很薄外延层的砷化镓MESFET 对增强型MESFET而言 在沟道电流开始流通前 栅极必须加上正偏压 这个所需的电压称为阈值电压VT 可表示为 其中VP为夹断电压 接近阈值电压时