《半导体器件物理：第五章 结型场效应晶体管和金—半导体场效应晶体管》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体器件物理：第五章 结型场效应晶体管和金—半导体场效应晶体管（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第五章第五章 结型场效应晶体管和金属结型场效应晶体管和金属半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管Chapter 5 Junction Field Effect Transistor (JFET) and Metal-Semiconductor Field Effect Transistor (MESFET) JFET和和MESFET的历史的历史v1952年年W. Shockley第一次提出第一次提出JFET器件并对其特性器件并对其特性进行了分析讨论，提出了进行了分析讨论，提出了Shockley模型。模型。v1953年年G. C. Dacey和和I. M. Ross制造出第一只制造出第一只JFET
2、。vC. A. Mead于于1966年首次报道了年首次报道了MESFET器件模型。器件模型。v1967年年W. W. Hooper和和W. I. Lehrer宣布制造出第一只宣布制造出第一只MESFET。一、一、JFET的物理本质：的物理本质：1. JFET是一个由电压控制的可变电阻。是一个由电压控制的可变电阻。2. 用用PN结作为栅结，控制两个欧姆结之间的电阻，从而实现两结作为栅结，控制两个欧姆结之间的电阻，从而实现两个欧姆结之间的电流控制。个欧姆结之间的电流控制。二、二、JFET的特点：的特点：属于单极器件。即只由多数载流子承担电流的输运。属于单极器件。即只由多数载流子承担电流的输运。三、
3、三、MESFET与与JFET的区别与联系：的区别与联系：将将JFET的的PN结用结用MS结代替作为栅结，就构成结代替作为栅结，就构成MESFET。二者的工作原理基本相同。二者的工作原理基本相同。引引 言言5.1 JFET的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理 一、一、JFET的基本结构：的基本结构：二、几个概念：二、几个概念：1. 有源层：导电沟道，有源层：导电沟道，channel；2. 沟道电流沟道电流 (ID)：漏极电流，漏电流；：漏极电流，漏电流；3. 源极发射载流子；漏极收集载流子；源极发射载流子；漏极收集载流子；GDSSDG外延外延扩散工艺扩散工艺双扩散工艺双扩散工艺4. N沟道沟
4、道JFET：沟道电流为电子电：沟道电流为电子电流，流，(栅区为栅区为P+区）；区）；5. P沟道沟道JFET：沟道电流为电子电：沟道电流为电子电流，流，(栅区为栅区为P+区）；区）；6. N沟道器件有更大的电导和速度。沟道器件有更大的电导和速度。5.1 JFET的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理 三、三、JFET的基本工作原理：的基本工作原理：栅极栅极PN结反偏结反偏GDSSDGSCR向沟道内部扩展向沟道内部扩展沟道截面积变小，电导变小。沟道截面积变小，电导变小。可见：源漏之间流过的电流受栅极电压调制，这种通过表面电可见：源漏之间流过的电流受栅极电压调制，这种通过表面电场调制半导体电导的
5、效应，称为场调制半导体电导的效应，称为场效应场效应。5.1 JFET的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理 三、三、JFET的基本工作原理：的基本工作原理：1. VD由由0开始增大时，开始增大时， 栅结栅结SCR展宽，沟道漏极端变窄，长沟道近似下，认为展宽，沟道漏极端变窄，长沟道近似下，认为沟道电导基本不变，沟道电导基本不变，ID 开始随开始随VD线性增大线性增大；2. VD = VP时，在时，在x = L处，处，SCR在沟道内连通，连通区域内，载流子完全耗尽，在沟道内连通，连通区域内，载流子完全耗尽，称为称为沟道夹断沟道夹断；GDSSDGVG= 0的的JFET特性特性VD VPVD= VP
6、5.1 JFET的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理 三、三、JFET的基本工作原理：的基本工作原理：3.沟道夹断时的漏极电压，称为沟道夹断时的漏极电压，称为饱和漏电压，饱和漏电压，VDS；4.沟道夹断后，夹断点处的电压称为沟道夹断后，夹断点处的电压称为夹断电压夹断电压， VP；5.沟道夹断后，再增加漏极电压，夹断点将向源极端移动，但夹断点的点位基沟道夹断后，再增加漏极电压，夹断点将向源极端移动，但夹断点的点位基本保持本保持VP不变，因为继续增加的那部分漏极电压主要降落在连通的不变，因为继续增加的那部分漏极电压主要降落在连通的SRC上。上。GDSSDGVG= 0的的JFET特性特性VD V
7、PVD= VP5.1 JFET的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理 三、三、JFET的基本工作原理：的基本工作原理：6.如果忽略沟道长度调制效应，沟道夹断后，漏极电流将不再增加而处于如果忽略沟道长度调制效应，沟道夹断后，漏极电流将不再增加而处于饱和饱和状态。漏电压，状态。漏电压，VDS；7.沟道夹断后的漏极电流称为沟道夹断后的漏极电流称为饱和漏电流饱和漏电流， IDS 。GDSSDGVG= 0的的JFET特性特性VD108 ，可以忽略。，可以忽略。JFET交流小信交流小信号等效电路图号等效电路图5.4 小信号参数和等效电路图小信号参数和等效电路图一、交流小信号等效电路图：一、交流小信号等效
8、电路图：3. Cgs和和Cgd ：栅结反偏时引起的耗尽层电容。：栅结反偏时引起的耗尽层电容。4. rds ：有限的漏极电阻。由沟道长度调制效应引起，约：有限的漏极电阻。由沟道长度调制效应引起，约100k2M。5. Cds：器件封装时，漏和源之间的寄生电容，很小可以忽略。：器件封装时，漏和源之间的寄生电容，很小可以忽略。6. gm：描述栅压对沟道电流的控制作用，是跨导。：描述栅压对沟道电流的控制作用，是跨导。5.4 小信号参数和等效电路图小信号参数和等效电路图一、交流小信号等效电路图：一、交流小信号等效电路图：5.7金属金属半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管（MESFET） 三、三、MESFE
9、T的类型：的类型：1.常闭型或增强型：常闭型或增强型：VG=0时，肖特基势垒穿透了时，肖特基势垒穿透了n-GaAs外延层，到达半绝缘衬底，所以无外延层，到达半绝缘衬底，所以无导电沟道，耗尽层正偏时，开启导电通道。导电沟道，耗尽层正偏时，开启导电通道。2.常开型或耗尽型：常开型或耗尽型： VG=0时，肖特基势垒没有到达半绝缘衬底，所以存在导电沟道，耗尽层时，肖特基势垒没有到达半绝缘衬底，所以存在导电沟道，耗尽层反偏时，能够关闭导电通道。反偏时，能够关闭导电通道。MESFET与与JFET有相同的工作原理，因而有相同的工作原理，因而JFET的理论公式也适用于的理论公式也适用于MESFET。但要注意以
10、下两点：。但要注意以下两点：（1）对于增强型）对于增强型MESFET，没有夹断电压，没有夹断电压VP，但可以定义阈值电压：，但可以定义阈值电压： VTH = 0 VP0，因而需要将原公式中的，因而需要将原公式中的VP VTH。（2）MESFET无下栅极，所以，无下栅极，所以，ID的表达式中需乘以的表达式中需乘以1/2。5.8 JFET 和和 MESFET的类型的类型 一、四种类型：一、四种类型：1. N沟道耗尽型：沟道耗尽型： VG= 0时，有沟道；时，有沟道； VG 0 时，沟道夹断。时，沟道夹断。2. P沟道耗尽型：沟道耗尽型： VG= 0时，有沟道；时，有沟道； VG 0 , VD 0
11、, VD 0 时，时， 沟道形成。沟道形成。4. P沟道增强型：沟道增强型： VG= 0时，无沟道；时，无沟道； VG 0 时，时， 沟道形成。沟道形成。二、第五章作业：二、第五章作业：P188， 5-2，5-3，5-6，5-7，5-8，5-9.第六章第六章金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应半导体场效应 晶体晶体管（管（MOSFET）1.Lienfeld和和Heil于上世纪于上世纪30年代初提出了表面场效应晶体管原理。年代初提出了表面场效应晶体管原理。2.上世纪上世纪40年代末年代末Shockley和和Pearson进行了深入研究。进行了深入研究。3.1960年年Kahng和和Alalla用
12、热氧化硅结构制造出第一只用热氧化硅结构制造出第一只MOSFET. 4.MOSFET是大规模集成电路中的主流器件。是大规模集成电路中的主流器件。 5.MOSFET是英文缩写词。其它叫法：绝缘栅场效应晶体管是英文缩写词。其它叫法：绝缘栅场效应晶体管（IGFET）、）、金属金属-绝缘体绝缘体-半导体场效应晶体管（半导体场效应晶体管（MISFET）、）、金属金属-氧化物氧化物-半导体晶体管（半导体晶体管（MOST）等。等。6.MOSFET的实质是用的实质是用MOS电容取代了电容取代了JFET的的PN结。结。MOSFET的实质是的实质是用用MOS电电容取代了容取代了JFET的的PN结。结。第六章第六章金
13、属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管MOS电容在反偏时半导体表面会出现反型层，从而成为源、漏电容在反偏时半导体表面会出现反型层，从而成为源、漏间的导电沟道。间的导电沟道。6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区MOS电容器的结构和能带图电容器的结构和能带图一、理想一、理想MOS的基本假设：的基本假设：1.氧化物及界面处无电荷；氧化物及界面处无电荷；2.金属和半导体间功函数差为零；金属和半导体间功函数差为零；3.SiO2为良好绝缘体，可阻挡直流电流流过。即使有外加偏压，为良好绝缘体，可阻挡直流电流流过。即使有外加偏压，SCR也处于热平衡态
14、，也处于热平衡态，SCR中中Ef与体内持平，为常数。与体内持平，为常数。无外加偏压时，无外加偏压时，半导体能带平直。半导体能带平直。6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区加上电压加上电压VG 时时MOS结构内的结构内的电位分布电位分布.Na小小Na 大大6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区加上电压加上电压VG 时时MOS结构内的结构内的电位分布电位分布.Na小小Na 大大按照耗尽层近似，如果半导体按照耗尽层近似，如果半导体掺杂均匀，掺杂均匀，SCR内电势是空间内电势是空间坐标的二次函数。坐标的二次函数。6.1 6.1
15、 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区2. 理想理想MOS的表面类型的表面类型（以（以p-Si为例）：为例）：6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区2. 理想理想MOS的表面类型的表面类型（以（以p-Si为例）：为例）：由耗尽层近似，求解Possion方程，可得：6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区2. 理想理想MOS的表面类型的表面类型（以（以p-Si为例）：为例）：6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间
16、电荷区结构的表面空间电荷区2. 理想理想MOS的表面类型（以的表面类型（以p-Si为例）：为例）：(4)反型和反型和强强反型条件：反型条件：强反型性质：强反型性质：强反型后，强反型后， VG再增大，导带电子在很薄的强反型层中再增大，导带电子在很薄的强反型层中迅速增加，屏蔽了外电场，于是迅速增加，屏蔽了外电场，于是SCR的势垒高度、表面势、固定的电离的势垒高度、表面势、固定的电离受主、以及受主、以及SCR宽度等基本保持不变。增大的那部分电压几乎降落在氧宽度等基本保持不变。增大的那部分电压几乎降落在氧化层上。化层上。外外电场电场 改改变变半半导导体表面的体表面的载载流子流子浓浓度或度或导电导电型号
17、；型号；反型反型层层 导电导电沟道；沟道；这这种外种外电场电场控制半控制半导导体表面体表面导电导电能力和性能力和性质质的的现现象，称象，称为为半半导导体的表面体的表面场场效效应应 MOSFET 的工作基的工作基础础。6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区2. 理想理想MOS的表面类型（以的表面类型（以p-Si为例）：为例）：对对于于N N型半型半导导体，情形完全体，情形完全类类似！似！6.6.4 4 实际实际MOSMOS的的C-VC-V特性和阈值电压特性和阈值电压一、功函数差的影响（以一、功函数差的影响（以Al-SiO2-Si为例）：为例）：图图6-11
18、Al-SiO2-Si结构的能带图结构的能带图6.6.4 4 实际实际MOSMOS的的C-VC-V特性和阈值电压特性和阈值电压二、界面陷阱和氧化物电荷的影响：二、界面陷阱和氧化物电荷的影响：界面陷阱电荷界面陷阱电荷氧化物固定电荷氧化物固定电荷氧化物陷阱电荷氧化物陷阱电荷可动离子电荷可动离子电荷氧氧化化物物电电荷荷6.6.5 5 一、基本结构和工作原理一、基本结构和工作原理图图6-15 6-15 MOSFETMOSFET的工作状态和输出特性：（的工作状态和输出特性：（a a）低漏电压时低漏电压时 6.6.5 5 一、基本结构和工作原理一、基本结构和工作原理图图6-15 6-15 MOSFETMOS
19、FET的工作状态和输出特性：（）开始饱和的工作状态和输出特性：（）开始饱和 6.6.5 5 一、基本结构和工作原理一、基本结构和工作原理图图6-15 6-15 MOSFETMOSFET的工作状态和输出特性：（）饱和之后的工作状态和输出特性：（）饱和之后 6.6.5 5 二、二、MOSFET的的I-V特性特性图图6-16 N沟道沟道MOSFET 6.6.5 5 二、二、MOSFET的的I-V特性特性图图6-16 N沟道沟道MOSFET的的I-V特性特性 饱和区饱和区线线性性区区6.6.6 6 MOSFETMOSFET的等效电路和频率响应的等效电路和频率响应一、等效电路图：一、等效电路图：图图6-20 MOSFET的小信号等效电路图的小信号等效电路图 6.6.6 6 MOSFETMOSFET的类型的类型6.6.6 6 MOSFETMOSFET的类型的类型
