北工大复试笔试-晶体管课件

1．非饱和区特性及漏极电流饱和机构JFET或MESFET的沟道长度缩短到一定数值以下或L/a不足够大时，将出现实验测量特性相对于长沟道理论(肖克莱理论)预示值的偏离。产生偏离的原因，一方面是缓变沟道近似成立的条件遭到破坏(L/a值低)；另一方面，更主要的是由于强场下沟道载流子的迁移率调制效应。低场漂移速度与场强呈正比变化，具有恒定的低场迁移率。随场强升高，漂移速度的上升速度随场强增加而逐渐变慢。

沟道长度缩短了的JFET、MESFET特性相对长沟理论的偏离主要表现为：(1)饱和漏源电压减小，(2)饱和漏电流减小以及(3)饱和区跨导降低。考虑了迁移率调制效应之后，短沟道器件特性的这些偏离，逐一都可得到解释。

漂移速度一场强关系(v-ε)表示为（5－129）式中μn为低场迁移率，n沟MESFET中dV/dy＝|εy|。引用欧姆定律将沟道电流表示为ID＝qNDvb(y)W（5－130）式中W为沟道宽度；对于非对称器件，b（y）应被称为沟道厚度而不是半厚度，b(y)＝a-h(y)，a是指冶金沟道厚度。引入将（5－129）式代人（5—130）式，整理后变成（5－131）等式两端同乘以分离变量并对y从0积分到L，对u从uS积分到uD。完成积分之后整理出(5-132)为表示方便，通常用Γ代替，即（5－133）对于指定的工作点（VGS、VDS），短沟道MESFET（Γ>0）的漏极电流明显地低于肖克莱模型的计算值（Γ＝0）。前面举出的第二种偏离也就这样得到了解释。

由确定的极值点可以求出进入饱和区时所加的VDS。若用uDS代表极值点上的uD，则uDS满足以下方程：（5-135）然后利用下式即可算出VDsat。从（5—135）式求uDS时得不到解析解，只能有数值解。用uDS的数值解计算的VDsat/VP~us曲线如图5－36所示，图上所注uDS-uS即VDsat/VP。Γ＝0曲线代表不考虑迁移率调制效应的肖克莱理论结果。图5－36MESFET的（uDS~us）～uS曲线所有Γ≠0的其它曲线都分布在Γ=0的下面，对于同一uS（即同一VGS），这些曲线上的VDsat/VP都低于肖克莱理论值，而这正是考虑了迁移率电场调制效应的结果，前面举出的第一种偏离也就这样得到了解释。

藉助偏微分的链式法则，饱和区跨导gms可表示为（5—143）上式前面的常数3IP/VP实际上即现在讨论的非对称栅器件的冶金沟道电导：

这说明第三种偏离也可以用迁移率调制效应给以解释。漏电流的饱和机理之一－－－速度饱和效应：ID＝qNDvb(y)W（5-130）式中q、W、ND是常数，b(y)和v都是y的函数。在指定工作点上，若VGS和VDS都已固定，由于沟道电流保持为常数，所以沟道任一截面上的vb(y)乘积都应等于同一数值。沿着从源到漏的方向，只要VDs≠0，沟道厚度将逐渐减小，载流子的漂移速度则应当是逐渐增大，因此沟道漏端的载流子漂移速度最高。

短沟道JFET与长沟道JFET相比，同样VDS下前者的沟道平均场强和漏端场强都比后者的高。所以短沟道器件有可能VDS增加到某一数值时漏端达到载流子漂移速度饱和临界场强，而漏端未夹断。如若继续增加VDS，由于已达饱和值，漏端载流子漂移速度不会再提高，沟道的截面积也不可能增大，b（L）和V（L）都将保持等于常数，因而漏极电流饱和。通常称这种饱和机构为漏端速度饱和。2·短栅MESFET的电流饱和模型现以制作在绝缘衬底上的硅n—MESFET为例，讨论饱和区工作。图5—38为不同工作模式下器件横截面示意图和沟道电场分布图，（a）、（b）、（c）分别代表非饱和、临界饱和及饱和三种工作方式。图5－38三种不同工作方式下的MESFET沟道电场分布

按载流子漂移速度是否饱和，可将沟道划分成几段，分别讨论其中的电流。y＝0~y1段载流子漂移速度未饱和，漏极电流遵循(5-130)式，b与v的乘积保持等于常数，沿y方向b减小同时v增大，沟道维持电中性，n=ND。y=y1-y3段εy＞εc，载流子漂移速度饱和，沟道厚度沿y方向的变化是先减小而后增大。从y＝y1开始，由干b逐渐减小，而v＝vsl，若n仍然维持和ND相等，则不可能有载流子的稳定的连续流动；只有出现电子积累，使该区间上处处n与b的乘积都与NDb(yl)相等才会有稳定的漏极电流。yl＜y＜y2这段沟道的b小于b（y1），所以n＞ND，相当于出现净负电荷。而在y2＜y＜y3范围内，εy＞εc，载流子的漂移速度仍然饱和，但是b＞b(y1)，要维持nb＝NDb(yl)必须n＜ND，这就相当于出现净正电荷，它与前面提到的净负电荷一起组成空间电荷偶极层。y>y3时εy<εc,漂移速度不在饱和．虽然b沿y方向还在继续增大，但是只靠v的减小已经能使bv的乘积等于b(y1)vsl,从而维持稳定电流．无需耗尽可动载流子，沟道维持电中性。

分析表明，若存在空间电荷偶极层，VDs－VDsat将集中地降落于其上。VDS增加时虽然偶极层会向外扩展