第五章 JFET和MESFET的基本结构与工作原理

1、、semiconductor devices、结型场效应晶体管金属-半导体效应晶体管、半导体器件物理、5.1、1、JFET的基本结构和动作过程2、理想JFET的I-V特性3、MESFET的基本结构和动作过程4、JFET和MESFET 异质结MESFET和HEMT、Outline、结型场效应晶体管也被称为PN结场效应晶体管。 JFET基本上是电压控制的电阻，通过以PN结为栅极控制电阻，实现了2个欧姆结之间的电流控制。 其特征是，只有多个载波承载电流的输送，这种器件是单极器件。 JFET的基本结构和工作过程，将p层作为基板再掺杂。 在p衬底上外延生长轻掺杂的n型层。 上述重掺杂p层是通过在n型外延

2、层中扩散硼而形成的。 器件的活性区域夹在2个p层之间的n型层活性层也称为导电沟道。 上下两个p区域没有内部连接，或者外部连接而形成栅极端子。 与沟道两端连接的欧姆接触分别被称为源极端子和漏极端子，流过它们的沟道电流。 源极放出载流子，漏极收集载流子。 1、基本结构、标准平面外延扩散过程、标准平面外延扩散过程JFET，该技术通过扩散形成沟道和顶栅。 由于在沟道中混入了施主杂质，因此通过电子输送沟道电流，将该装置称为n沟道JFET。 如果沟道被主原子掺杂，栅极区域为n型，则沟道电流由空穴输送，将该器件称为p沟道JFET。 由于电子的迁移率比空穴的迁移率高，所以n沟道JFET可以提供更高的电导率和更

3、快的速度，这在很多应用中是优先的。 另外，在双扩散过程、双扩散过程JFET、2、操作过程中，在x=0处，栅极PN结两侧的电压为零，在x=L处，整个电压VD被施加到PN结。 当电流从漏极沿着沟道流向源极时，由于沟道电阻的存在，沟道整体会产生电位下降。 漏极侧空间电荷区域在沟道内更深地扩展。 (忽略接触电阻和体电阻)，PN结反向偏置，电压VD增加时，沟道变窄，沟道电阻进一步变大。 当漏极端子电压增加时，在x=L的空间电荷区域连通，连通区域内的自由载流子全部消失，发生所谓的沟道夹断。 沟道夹断、沟道夹断时的漏电压称为饱和漏电压VDS。 夹断后漏极电压也继续增加时，夹断点向源极侧移动，但夹断点的电位保

4、持在VP，因此漏电流不显着增加，所以电流饱和，沟道电阻变大。 理想的漏极特性、夹断电压、3、JFET的特征、电流传输主要由一种多载波负担，没有少数载波的积累效果，有利于实现比较高的截止频率和快的开关速度。 电压控制设备。 由于其输入电阻比BJT高得多，其输入端容易与标准微波系统匹配，在应用电路中容易实现级间的直接耦合。 因为是多子器件，所以耐放射线性很高。 与BJT和MOS流程兼容，有利于集成。 理想的JFET的I-V特性，单侧突变结。 通道内的杂质分布均匀。 信道内的载流子迁移率是恒定的。 如果忽略活性区域以外的源极、漏极区域及接触点上的电压降，则沟道长度为l。 缓慢的沟道近似，即空间电荷区

5、域内的电场沿着y方向，中性通道内的电场仅为x分量。 长信道近似： L2(2a )，所以w沿l稍有变化，可以视为矩形信道。 分析假设：二维电场和载流子分布，良好的欧姆接触，沟道内的空间电荷区域逐渐变化：x处耗尽层的宽度：沟道仅漂移电流，并且：电流流过的截面积：2(aW)Z :式中：没有耗尽层时的沟道电导， 理论和实验结果的不同可以用串联电阻说明，在夹断点，空间电荷区域的宽度与沟道的宽度正好相等，如果设W=a、VVGVp，则夹断电压：Vp达到夹断条件，得到夹断电压的Vp0是夹断电压和自构筑电位差的三MESFET的基本结构和工作过程，一、基本结构，半导体材料多选择GaAs。在半绝缘GaAs衬底上外延

6、生长N-GaAs，降低寄生电阻。 肖特基势垒通过与源极、漏极两极欧姆接触一起蒸发的方法形成在n型外延层的上表面。 金属-半导体接触工艺能缩短MESFET的沟道，有利于器件的开关速度和工作频率的提高。(肖特基势垒场效应晶体管)、MESFET的结构图、2、动作过程、VG=0的情况下，MESFET的肖特基势垒是穿过N-GaAs外延层到达半绝缘基板还是没有到达绝缘基板。 1 .前者需要对该耗尽层施加正偏压，使耗尽层变窄，耗尽层的下端缩入N-GaAs层内，远离半绝缘基板，在耗尽层的下方和绝缘基板之间形成导电通道。 被称为常闭型或扩展MESFET。 2、后者在VG=0时存在导电沟道，但如果要夹断沟道，则需

7、要向耗尽层施加负的栅极偏置。 称为正常开放型或耗尽型MESFET。 阈值电压：Vp=VTH，JFET和MESFET的类型，JFET有扩展型和耗尽型。 所谓耗尽型JFET，是指在栅极偏压为0时存在导电沟道，但是为了夹断沟道，必须向PN结施加方向偏压，使沟道载流子耗尽。 增强型JFET与增强型MESFET相同，当栅极偏置为0时，沟道被夹断，只有在施加正偏置时才通电。 五异质结MESFET和HEMT，典型器件：各半导体层利用分子束外延技术在定向半导体绝缘层磷酸铟衬底上生长。 半导体层和磷酸铟衬底具有良好的晶格匹配，界面陷阱密度低。 上部的Al0.48In0.52As层和铝栅极形成肖特基势垒。 通道中

8、的电子被限制在Ga0.47In0.53As活性层。 由于该有源层的载流子迁移率比GaAs高，因此可以得到高的跨导和高的工作速度。 1、异质结MESFET、异质结MESFET的主要优点是动作速度快。 2、HEMT (电子移动性)被称为高电子迁移率晶体管，是另一种类型的异质结MESFET。 典型的器件：使用外延技术在未掺杂的GaAs衬底(i-GaAs )上生长薄的宽带隙AlxGa1-xAs薄膜(i-AlxGa1-xAs )，在i-AlxGa1-xAs层上进一步生长n-alx ga1 - AlxGa1-xAs一般被称为控制层，与金属栅极形成肖特基势垒，与GaAs层形成异质结。 通过向栅极施加正偏压，可以向异质结界面的GaAs层导入电子。 2DEG、控制层、正偏压、2DEG :电子(或空穴)在平行于界面的平面内自由移动受到限制，在垂直于界面的方向上受到限制。 AlGaAs层的厚度和掺杂浓度决定器件的阈值电