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1、第13章 结型场效应晶体管n13.1 JFET概念n13.2器件的特性n13.3非理想因素n13.4等效电路和频率限制n13.5高电子迁移率晶体管13.1 JFET概念内容n13.1.1 pn JFET基本原理n13.1.2 MESFET基本原理n结型场效应管分类： npn JFETnMESFET所用知识：半导体材料、PN结、肖特基势垒二极管JFET基本概念n基本思路：加在金属板上的电压调制（影响）下面半导体的电导，从而实现AB两端的电流控制。n场效应：半导体电导被垂直于半导体表面的电场调制的现象。n特点：多子器件，单极型晶体管1311 pn-JFET 漏源I-V特性定性分析n 的形成：（n沟
2、耗尽型） 图图3.1对称对称n沟沟pn结结JFET的横截面的横截面漏源电压在沟道区产生电场，使多子从源极流向漏极。1311 pn-JFET 与MOSFET比较n 的形成：（n沟耗尽型） 图图3.1对称对称n沟沟pn结结JFET的横截面的横截面厚度几厚度几十几十几微米微米两边夹两边夹结型结型:大于大于107，绝缘栅，绝缘栅:1091015。1311pn-JFET 沟道随VGS变化情况 (VDS很小时)VGS=0VGS0VGS0VDS01311 pn-JFET 漏源I-V特性定性分析1、 VGS =0的情况：注：a.栅结p+n结近似单边突变结。 b.沟道区假定为均匀掺杂 。（1）器件偏置特点 VD
3、S =0时 栅结只存在平衡时的耗尽层 沿沟长方向沟道横截面积相同 VDS0 漏端附近的耗尽层厚度,向沟道区扩展，沿沟长方向沟道横截面积不同, 漏端截面A最小。1311 pn-JFET 漏源I-V特性定性分析（2） IDVDS关系 VDS较小：VDS增大：VDS较大：增加到正好使漏端处沟道横截面积 =0夹断点：沟道横截面积正好=0线性区过渡区1311pn-JFET 漏源I-V特性定性分析n饱和区：（ VDS 在沟道夹断基础上增加）ID存在，且仍由导电沟道区电特性决定1311pn-JFET 漏源I-V特性定性分析n击穿区：（VDS大到漏栅结的雪崩击穿电压 ）1311pn-JFET 漏源I-V特性定
4、性分析n2、 VGS0的情况：（1）器件偏置特点（VDS=0）零偏栅压小反偏栅压VGS0 漏（源）栅结已经反偏 ； 耗尽层厚度大于VGS =0的情况； 有效沟道电阻增加。1311pn-JFET 漏源I-V特性定性分析n（2） 关系 特点： a. 电流随电压变化趋势，基本过程相同， b. 电流相对值减小。 c. VDS(sat: VGS0)VDS(sat: VGS=0) d. BVDS(sat: VGS0)BVDS (sat:VGS=0) 1311pn-JFET 漏源I-V特性定性分析3、 足够小 = 使上下耗尽层将沟道区填满， 沟道从源到漏 彻底夹断， 0 ，器件截止。结论：栅结反偏压可改变耗
5、尽层大小，从而控制漏电流大小。1311pn-JFET 漏源I-V特性定性分析nN沟耗尽型JFET的输出特性：n非饱和区：n漏电流同时决定于栅源电压和漏源电压n饱和区：n漏电流与漏源电压无关，只决定于栅源电压1311 pn-JFET小结n了解pn JFET与MOS不同点n增强型？耗尽型？哪个易实现？n夹断与饱和13.1.2 MESFETn肖特基势垒代替PN结13.1.2 MESFETn肖特基势垒代替PN结n半绝缘衬底（本征情况下）耗尽型：加负压耗尽层扩展到夹断（正压情况不行）耗尽型：加负压耗尽层扩展到夹断（正压情况不行）耗尽型：耗尽型：13.1.2 MESFET 增强型MESFET空间电荷区增强
6、型：电压摆幅小，因为所加正压不能太高，否则从电流从栅极走掉了增强型：电压摆幅小，因为所加正压不能太高，否则从电流从栅极走掉了增强型：增强型：13.1.2 MESFET小结n画MESFET图n增强型？耗尽型？nIV曲线-工作特性第13章 结型场效应晶体管n13.1 JFET概念n13.2器件的特性n13.3非理想因素n13.4等效电路和频率限制n13.5高电子迁移率晶体管13.2器件特性内容n13.2.1 内建夹断电压、夹断电压、漏源饱和电压n13.2.2 耗尽型JFET的理想直流特性n13.2.3 跨导n13.2.4 MESFET特性13.2 简化模型n对称双边pnJFET 单边MESFET1
7、3.2.1 内建夹断电压、夹断电压内建夹断电压、夹断电压当当h=a时，时，VGS=Vp 内建夹断电压内建夹断电压Vp0: 沟道夹断时栅结总压降（包括两个成分：内外）夹断电压夹断电压Vp：沟道夹断时的栅源电压例.Vp0=4.35VVbi=0.814VVp=-3.54VN沟耗尽型JFET中，夹断电压为负值。均匀掺杂，耗尽型pn JFETN+p结的情况当当h=a时，时，VGS=Vp 例.2Vp0=3.08VVbi=0.832VVp=2.25VP沟耗尽型JFET中，夹断电压为正值。夹断电压夹断电压(几伏几伏)一定要低于结的击穿电压一定要低于结的击穿电压(十几伏十几伏)13.2.1 漏源饱和电压漏源饱和
8、电压h1与与VDS无关，无关， h2与与VDS有关。有关。漏源饱和电压VDS(sat)： 导致沟道开始在漏端夹断的漏源电压当当h2=a时，时，VDS=VDS(sat) 栅极和漏极同时加上电压时，P沟沟N沟沟小结n三个概念搞清楚n内建夹断电压Vp0n夹断电压Vpn漏源饱和电压VDS(sat)13.2.2 耗尽型JFET的理想直流特性n输出为漂移电流n基本假设：np+n为突变结，且杂质均匀分布；n器件关于y=0对称；n电流只存在于x方向；13.2.2 耗尽型JFET的理想直流特性n公式非常复杂n饱和区近似公式：双边JFET：夹断电流当沟道没有空间电荷区时的最大漏电流IDSS =ID1(max)是V
9、gs=0时的饱和漏电流IV曲线13.2.3 跨导n定义：n非饱和区：n饱和区：n饱和区近似式：小结nIV特性及跨导要知道，推导公式不做要求nIp1 夹断(阈)电流：当Vgs和Vbi为0时（沟道没有空间电荷区）的最大漏电流nG01 当Vgs和Vbi为0时（沟道没有空间电荷区）的沟道电导nIDSS =ID1(max)是Vgs=0时的饱和漏电流n看例题结果，了解器件电压电流大概值n(例13.3 ID1max=0.313mA)13.2.4 MESFET特性nN沟MESFET阈值电压: Vbi-Vt=Vp0 或Vt=Vbi-Vp0nVp 这里习惯称为Vt（阈值电压）n耗尽型Vt013.2.4 MESFE
10、T特性n饱和区电流电压特性Vt斜率斜率Kn: 电导参数电导参数n跨导（饱和区）第13章 结型场效应晶体管n13.1 JFET概念n13.2器件的特性n13.3非理想因素n13.4等效电路和频率限制n13.5高电子迁移率晶体管13.3内容n沟道长度调制效应n饱和速度影响n亚阈值特性和栅电流效应回顾：MOS非理想特性亚阈值电导沟道长度调制效应迁移率变化速度饱和弹道输运13.3.1沟道长度调制效应n定义：定义：有效沟道长度的改变以及相应的漏电流的变化称为沟有效沟道长度的改变以及相应的漏电流的变化称为沟道长度调制。道长度调制。随着沟道长度的减小漏电流将增大随着沟道长度的减小漏电流将增大修正为：修正为：
11、13.3.1沟道长度调制效应n饱和I-V还可以写成：n空间电荷区为：n输出阻抗：nId如果不随VDS变,则按上式rds无穷大；例13.813.3.2 饱和速度影响n载流子的漂移速度不会无限增大，电场足够时会达到饱和由于速度饱和：电流变小；跨导变小；增益变小由于速度饱和：电流变小；跨导变小；增益变小归一化处理归一化处理VDS(sat)还没有达到夹断时还没有达到夹断时电流已经达到饱和（不增电流已经达到饱和（不增加了，近似恒定）加了，近似恒定）两区模型得到完整的两区模型得到完整的I-V曲线曲线13.3.3亚阈值特性和栅电流效应n当栅电压Vgs低于夹断电压Vp或阈电压(VT)时（也就是管子已夹断或未开
12、启时）的电流叫亚阈值电流n饱和区漏电流随栅源 电压呈2次方变化n亚阈区漏电流随栅源 电压呈指数变化n阈值点13.3.3亚阈值特性和栅电流效应n三个区域：三个区域：VT=0V栅电流区域；栅电流区域； 亚阈值区域亚阈值区域； 正常区域正常区域；第13章 结型场效应晶体管n13.1 JFET概念n13.2器件的特性n13.3非理想因素n13.4等效电路和频率限制n13.5高电子迁移率晶体管13.4 等效电路和频率限制n13.4.1 小信号等效电路 （只有rs rd）小信号等效电路Vgs内部栅源电压，控制漏极电流rgs栅源扩散电阻（很大）Cgs 结电容rgd栅漏电阻Cgd 结电容rds漏源电阻Cds漏
13、源电容Cs漏与衬底的电容理想的小信号电路Ids=gm Vgs小信号漏电流gmgm理论值gm与实际值gm差异rs=2kIP1=0.522mA；Vbi=0.814V；Vp0=4.35V；13.4.2 频率限制因子和截止频率沟道输运时间 (1um沟道100Ghz)电容存储时间 (几到几十G)例例13.9fT=13.9GHz小问题n为什么JFET比MOSFET频率特性好？nP354，例11.11，MOSFET fT=796MHznP420，例13.9，Si JFET fT=3.54GHzn为什么JFET不如MOSFET电流特性好？nMOSFET输出电流在几mA或更大nJFET最大饱和电流一般零点几mA
14、第13章 结型场效应晶体管n13.1 JFET概念n13.2器件的特性n13.3非理想因素n13.4等效电路和频率限制n13.5高电子迁移率晶体管13.5异质结Nn结结二维电子气n=1012cm-2电子在平行于结表面的运动是自由的（在这些地方，杂质与载流子分离，散射减弱。边区夹缝中的电子迁移率可达8000cm2/Vs）名称：HEMT 高电子迁移率晶体管MODFET 掺杂调制场效应晶体管SDHT 选择性掺杂异质结场效应晶体管TEGFET 二维电子气场效应晶体管晶格（声子）散射电离杂质散射 13.5.1 量子阱结构nN-i-n结 (可以减弱电离杂质的库仑力对电子的影响。但电子密度比前图小)晶格（声
15、子）散射电离杂质散射多层异质结n相当并联输出，可以增加输出电流，增强负载能力相当并联输出，可以增加输出电流，增强负载能力13.5.2 HEMT性能n栅压控制二维电子气的密度（存在或耗尽）负压耗尽：相当电子排斥了沟道的电子有电子气和耗尽时的情况n低于费米能级和高于费米能级假设为假设为-1V增强型器件n正压导通（相当于少耗尽些）假设为假设为-2V假设为假设为-1V，相当加，相当加+1v增强型I-V曲线多层结构HEMT一般几十GHz(35GHz)0.25um100GHz定性比较频率特性nMOS:几百Hzn优点：工艺简单，功耗低（相对双极）n缺点：频率特性，放大特性nJFET:几个G Hzn优点：频率n缺点：电流偏压噪声nHMET:几十G Hz甚至上百G Hzn优点：低噪声，高频率，高跨导低损耗n缺点：工艺复杂复习题1-7 结型场效应晶体管(7)课件
