微电子器件原理PPT课件(共10章)06JFET

1场效应晶体管 场场效效应应晶晶体体管管是是区区别别于于结结型型晶晶体体管管的的另另一一大大类类晶晶体体管管。它它通通过过改改变变垂垂直直于于导导电电沟沟道道的的电电场场强强度度来来控控制制沟沟道道的的导导电电能能力力，从从而而调调制制通通过过沟沟道道的的电电流流。由由于于场场效效应应晶晶体体管管的的工工作作电电流流仅仅由由多多数数载载流流子子输输运运，故故又又称称之之为为“单单极型极型(场效应场效应)晶体管晶体管”2 根据其结构(主要指栅极结构)和制作工艺，FET可分为三类：(1)结型栅场效应晶体管(缩写JFET)，由于原理上近似，有时也将肖特基栅场效应晶体管-金属-半导体场效应晶体管(缩写MESFET)划归此类；(2)绝缘栅场效应晶体管(缩写IGFET)(3)薄膜场效应晶体管(缩写TFT)结型栅场效应晶体管，其栅极的控制作用是通过反向偏置pn结或肖特基结来实现的。其导电过程发生在半导体材料的体内，故JFET属于“体内场效应器件”。绝缘栅场效应晶体管和薄膜场效应晶体管的导电过程均发生在半导体表面薄层内。故从导电机构的角度看，它们均属于“表面场效应器件”。无论是“体内的”，还是“表面的”，它们都具有场效应半导体器件的共同特点：3 (1)FET具有普通双极晶体管所具有的特点，如体积小，重量轻 (2)FET是一种电压控制器件(通过输入电压的改变控制输出电流，而双极型晶体管为电流控制器件。(3)FET的直流输入阻抗很高，一般可达1091015 (4)FET类型多、偏置电压的极性灵活、动态范围大、其各级间可以采用直接耦合的形式，因而在电路设计中可提供较大的灵活性。(5)噪声低，因而FET特别适合于要求高灵敏度、低噪声的场合，如检测各种微弱信号的仪器、仪表、医疗器械等。(6)热稳定性好。因为FET是一种多子器件，且可有正的、负的及正负交叉的零温度系数工作点。只要在设计电路时使器件工作在零温度系数工作点附近，即可消除温度的影响。(7)抗辐射能力强，这也因为FET是多子器件。这一特点使其持别适用于航天器等承受强烈核辐射、宇宙射线辐射的装备中。(8)与双极晶体管相比，制作工序少、工艺简单，有利于提高产品合格率、降低成本。4第六章 结型场效应晶体管6.1 JFET的基本工作原理1.JFET的基本结构2.JFET的工作原理3.JFET的特性曲线4.MESFET6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数1.肖克莱理论和JFET的直流特性2.JFET的直流参数3.JFET交流小信号参数4.任意沟道杂质浓度分布5.四极管特性6.高场迁移率的影响7.关于沟道夹断和速度饱和8.串联电阻的影响9.温度对直流特性的影响5第六章 结型场效应晶体管6.3 JFET的交流特性1.交流小信号等效电路2.JFET和MESFET中的电容3.JFET的频率参数6.5 JFET结构举例1.MESFET2.JFET3.V型槽硅功率JFET6.4 JFET的功率特性1.最大输出功率PM2.最大输出电流IF3.漏源击穿电压BVDS4.热阻Rth66.1 JFET的基本工作原理栅极G源极S漏极DN沟道P沟道增强型耗尽型1.JFET的基本结构图6-1 JFET物理结构示意图76.1 JFET的基本工作原理1.JFET的基本结构86.1 JFET的基本工作原理1.JFET的基本结构图6-2 采用平面工艺制成的两种JFET结构96.1 JFET的基本工作原理2.JFET的基本工作原理（6-1）平衡态沟道电阻：V VDSDSI IDSDSS SL L2a2aD DG GG Gn nP P+P P+A AV VGSGS=0=0V VGSGS0ND，即栅结为单边突变结；(4)栅结耗尽区中沿垂直结平面方向的电场分量Ex与沿沟道长度方向使载流子漂移的电场分量Ey无关，且满足 ，此即缓变沟道近似(GCA)；（沟道电荷密度远小于耗尽层电荷密度）(5)载流子迁移率为常数，与沟道中电场强度无关。22aaS SD DG GP P+n nx x0 06.2 JFET的直流特性与低频小信号参数1.肖克莱理论和JFET的直流特性V VDSDSV VGSGSa aL Lh h1 1h h2 2aI ID DI In n(y)(y)y yx x236.2 JFET的直流特性与低频小信号参数1.肖克莱理论和JFET的直流特性 根据假设(4)，耗尽层中的电位仅与x有关，故可用一维泊松方程求解，根据式(1-93b)，作用在沟道y处耗尽层上的总电压(包括外加栅压及接触电势差)与该处空间电荷区宽度Xn(y)之间有如下关系：(1-93b)(6-3)(6-4)使耗尽层改变一定厚度所需要的电压改变量随耗尽层厚度增大而增大，且与耗尽层边界处空间电荷密度成正比。变换求导246.2 JFET的直流特性与低频小信号参数1.肖克莱理论和JFET的直流特性当沟道中不存在载流子浓度梯度时，可由欧姆定律写出：SDGP+nx0h1h2aIDIn(y)yx256.2 JFET的直流特性与低频小信号参数1.肖克莱理论和JFET的直流特性利用边界条件 积分，并由（6-11）根据缓变沟道近似得到的JFET沟道夹断前的电流-电压方程(6-4)V(y)Vt(y)?266.2 JFET的直流特性与低频小信号参数1.肖克莱理论和JFET的直流特性当VDS=VDsat时，h2=a，代入非饱和区电流-电压方程(6-9)，得（6-13）（6-14）（6-12）（6-12）代表饱和区的电流电压关系（6-13）IDSS称为最大饱和漏极电流（6-14）Vp0称为本征夹断电压VGS=VD时VDS=0,h1=h2=a时栅结上的电压Vp0=VD-Vp(VGS)276.2 JFET的直流特性与低频小信号参数2.JFET的直流参数夹断电压JFET沟道厚度因栅p+-n结耗尽层厚度扩展而变薄，当栅结上的外加反向偏压VGS使p+-n结耗尽层厚度等于沟道厚度一半(h=a)时，整个沟道被夹断，此时的VGS称为JFET的夹断电压，记为 Vp。本征夹断电压Vp0=VD-Vp表示整个沟道由栅源电压夹断时，栅p-n结上的电压降，为区别起见，称为本征夹断电压。N或a越大，Vp 的绝对值将越大，即沟道越难夹断。阈电压VT夹断电压VP286.2 JFET的直流特性与低频小信号参数2.JFET的直流参数最大饱和漏极电流IDSSVGS=VD时的漏极电流，又称最大漏源饱和电流。（6-13）296.2 JFET的直流特性与低频小信号参数2.JFET的直流参数 增大起始沟道厚度和沟道宽长比，减小沟道电阻率，可以增大JFET的最大饱和漏极电流。同时，IDSS与a的三次方成正比，因此应准确控制a以控制IDSS。306.2 JFET的直流特性与低频小信号参数2.JFET的直流参数最小沟道电阻Rmin Rmin表示VGS0、且VDS足够小，即器件工作在线性区时,漏源之间的沟道电阻，也称为导通电阻。对于耗尽型器件，此时沟道电阻最小，因而称其为最小沟道电阻。由于存在着沟道体电阻，漏极电流将在沟道电阻上产生压降。漏极电流在Rmin产生的压降称为导通沟道压降。Rmin越大，此导通压降越大，器件的耗散功率也越大。实际的JFET沟道导通电阻还应包括源、漏区及其欧姆接触电极所产生的串联电阻RS和RD。它们的存在也将增大器件的耗散功率，所以在功率JFET中应设法减小Rmin、RS和RD以改善器件的功率特性。316.2 JFET的直流特性与低频小信号参数2.JFET的直流参数栅源截止电流IGSS和栅源输入电阻RGS 栅极截止电流是pn结(或肖特基结)的反向饱和电流、反向产生电流和表面漏电流的总和。在平面型JFET，一般表面漏电流较小，截止电流主要由反向饱和电流与反向产生电流构成。此时栅-沟道结中的电流可统一表示为：输入电阻 结型场效应晶体管有较高的输入电阻，且该电阻与温度、反向偏压及辐照等因素有关。326.2 JFET的直流特性与低频小信号参数2.JFET的直流参数 在功率器件中，由于漏源电压很高，在沟道中形成的强电场将有可能使漂移通过沟道的载流子获得足够高的能量去碰撞电离产生新的电子-空穴对，新产生的电子继续流向漏极，使漏极电流倍增，而空穴则被负偏置的栅电极所收集，使栅极电流很快增长。因而，在高漏源偏置的功率JFET中，往往存在着超量栅极电流。在短沟道器件中，由于沟道电场强，更容易出现载流子倍增效应。336.2 JFET的直流特性与低频小信号参数2.JFET的直流参数栅源击穿电压BVGS 表示栅源之间所能承受的栅p-n结最大反向电压。VDS=0时，此电压决定于n型沟道区杂质浓度。当VDS0时，漏端n区电位的升高使该处p-n结实际承受的反向电压增大，所以实测的BVGS值还与VDS有关。漏源击穿电压BVDS 表示在沟道夹断条件下，漏源间所能承受的最大电压。在JFET中，无论是VGS，还是VDS，对于栅结都是反向偏压，二者叠加的结果是漏端侧栅结上所加的反向偏压最大。346.2 JFET的直流特性与低频小信号参数2.JFET的直流参数输出功率Po JFET最大输出功率Po正比于器件所能容许的最大漏极电流IDmax和器件所能承受的最高漏源峰值电压(BVDS-VDsat)。因受安全工作区、热阻等限制 可见，对一个性能良好的功率器件，要求其电流容量大、击穿电压高，且在最高工作电流 下具有小的漏源饱和电压VDsat。BVDSVDSIDS0VDsatIDsat356.2 JFET的直流特性与低频小信号参数3.JFET的交流小信号参数跨导gm 跨导是场效应晶体管的一个重要参数，它表示栅极电压对漏极电流的控制能力。跨导定义为漏源电压VDS一定时，漏极电流的微分增量与栅极电压的微分增量之比，即（6-11）366.2 JFET的直流特性与低频小信号参数3.JFET的交流小信号参数非饱和区跨导：VDSIDSVGS=0VGSND。参照两栅短接的三极管用法，可分别求出栅1和栅2的夹断电压和跨导，以及饱和区的有关参数。426.2 JFET的直流特性与低频小信号参数5.四极管特性图6-13 四极JFET的沟道形状44 436.2 JFET的直流特性与低频小信号参数5.四极管特性 图6-14给出了三种不同的工作模式下的特性。曲线C表示单栅工作，跨导很低，控制的线性度也很差。曲线A表示两极并联工作，跨导高(就是JFET的三极管用法)。曲线B表示用栅l的偏压控制栅2的跨导，是直线关系。这种线性的控制特性是令人感兴趣的，它提供了JFET的新用途。图6-14 饱和条件下四极JFET三种工作模式下的gmsVG关系446.2 JFET的直流特性与低频小信号参数6.高场迁移率的影响 以上讨论均基于沟道中载流子迁移率为常数的假设。然而在短沟道器件中，这个条件并不满足。在现代JFET和MESFET中，沟道长度仅1-2mm，甚至更短。即使在只有几伏的漏源电压下，沟道中的平均场强也可达l0kV/cm以上，靠近漏端的沟道中场强还远高于此值。短沟道器件中的这种沟道强电场将使器件的特性偏离肖克莱模型的结论。456.2 JFET的直流特性与低频小信号参数6.高场迁移率的影响 由于高场下迁移率的变化将引起：1.迁移率随场强上升而减小，导致漏极电流和跨导相对肖克莱模型减小，并随沟道场强而变化；2.载流子达到极限漂移速度，使得漏极电流在沟道漏端夹断之前饱和，跨导趋于常数；3.沟道漏端形成静电偶极层，承受漏极电流饱和后增加的漏极电压，并使沟道漏端不能夹断。466.2 JFET的直流特性与低频小信号参数6.高场迁移率的影响476.2 JFET的直流特性与低频小信号参数6.高场迁移率的影响漂移速度随电场的变化对漏极电流和跨导的影响图6-15 电子的漂移速度随电场强度的变化486.2 JFET的直流特性与低频小信号参数6.高场迁移率的影响(6-11)496.2 JFET的直流特性与低频小信号参数6.高场迁移率的影响 说明当沟道电场增强时，强场使迁移率减小，导致漏极电流降至低场值的(1+VDS/LEc)分之一。沟道长度越短，速度饱和效应的影响就越大。器件的(饱和)漏极电流(以及跨导)相对于长沟（常数迁移率）模型