第6章结型场效应晶体管

1、第六章第六章 结型场效应晶体管结型场效应晶体管l6.1 pn结场效应晶体管（结场效应晶体管（JFET）l6.2 金属金属-半导体场效应晶体管（半导体场效应晶体管（MESFET）l参考书参考书1集成电路器件电子学（第三版）集成电路器件电子学（第三版）Device Electronics for Integrated Circuit Richard S. Muller, Theodore I. Kamins, Mansun Chan 著王燕，张莉译著王燕，张莉译 许军审效许军审效, 电子工业出版社电子工业出版社p184-190页页2晶体管原理，刘永晶体管原理，刘永 张福海编著，国防工业出版社，张福

2、海编著，国防工业出版社，2002.1，p273-303 6.1 pn结场效应晶体管（JFET）l6.1.1 JFET器件基本工作原理l6.1.2 JFET器件器件类型和代表符号l6.1.3 JFET器件分析-源极接地，漏极上加小的偏压VDl6.1.4 JFET器件分析-源极接地，漏极上加大的偏压VD l6.1.5 JFET参数 6.1.1 JFET器件基本工作原理器件基本工作原理l源极向沟道提供多数载流子。l沟道：栅极的耗尽区和衬底pn结耗尽区之间的中性区。衬底通常接地。ln沟道JFET中漏极正偏，电流通过沟道从漏极流向源极。l如果将源极接地，同时在栅极上加负偏压，pn界的耗尽区将扩大，沟道变

3、窄，沟道电阻增加，导致从沟道流向源端的电流减小，栅极上外加偏压可以控制沟道中的电流。lp 沟道JFET中电流从源端流向漏端。l因为只有少量的电流流向反偏pn结，所以控制电极上的功耗非常小，而更多的功率通过控制电流得以传递。这种结型场效应晶体管可用做功率放大器。N沟道结型场效应晶体管的基本结构沟道结型场效应晶体管的基本结构6.1.2 JFET器件器件类型和代表符号器件器件类型和代表符号l耗尽型：栅压为零时已存在导电沟道的器件。（常开）l增强型：栅压为零时不存在导电沟道的器件。（常关）l例：高阻材料，当栅压为零时，栅结扩散电势已使沟道完全耗尽而夹断，因而栅压为零时不存在导电沟道，只有当施加一定的正

4、向栅压才能形成导电沟道的器件，叫增强型器件。l应用：高速低功耗电路GDSGDSGDSGDS耗尽型耗尽型增强型增强型P沟沟N沟沟6.1.3 JFET器件分析-源极接地，漏极上加小的偏压VD公式推导公式推导l沟道电阻： （1）l式中沟道电阻率： （2）l漏极电流： （3）l （4）l （5）l把（4）、（5）代入（3）得 （6）ln型区完全没有耗尽区时的电导： （7）栅长为栅长为L的的JFET的沟道区的沟道区WxLRw1)(dNq)(DwdnDDVxNqLWRVIdwxtx2/1)(2GidSdVqNxDGidSdnDVVtqNtNqLWI)(212/12tNqLWGdn0讨论讨论l电流 （8）l

5、在给定栅压下，并且外加漏极电压很小时，可得到ID和VD之间呈线性关系；l而根据栅沟道结为突变结的条件，上式中漏极电流与栅极电压成平方根关系；l电流在外加栅极电压等于零时最大。 DGidSDVVtqNGI)(212/1206.1.4 JFET器件分析-源极接地，漏极上加大的偏压VD当漏端电压相对源端较高时，当漏端电压相对源端较高时，JFET沟道中耗尽沟道中耗尽区宽度沿沟道方向发生变化区宽度沿沟道方向发生变化l沟道和栅之间的电压是y的函数，因此耗尽区宽度和沟道横截面积都随y变化。耗尽区靠近漏端的电压比源端高，因此耗尽区在漏端要宽一些。l采用缓变近似，即假设从源端到漏端，沟道和耗尽宽度变化缓慢。电流

6、电压关系推导电流电压关系推导ly处沟道长度dy上的电压增量为： （9）l耗尽区宽度 受到电压 的控制， 是y处的沟道电势 ，因此 （10）l把（10）代入（9）并对两端积分得： （11）l求出积分，并重新整理得： （12）)(ddnDDxtNWqdyIdRIddx)(yVGi)(y2/1)(2yVqNxGidSddyVqNtNWqdyIDVGidSdnLD02/10)(2)()()2(322/32/32/120GiDGidSDDVVVtqNVGIJFET中耗尽区性质中耗尽区性质漏极电压较小时漏极电压较小时 在漏极电压较小的情况下，（12）式变为（8）式，电流随漏极电压线性增加。然而，当漏极电压

7、较大时，电流随漏加电压的增加缓慢。DGidSDVVtqNGI)(212/120JFET中耗尽区性质中耗尽区性质漏极电压为饱和电压时漏极电压为饱和电压时l当漏极电压较大时，电流将达到极大值，然后开始随着漏极电压增加而减少，但这与实际情况不符。 原因：当漏极电压增加时，漏端导电沟道的宽度减少，直到该区域完全耗尽，如图上图所示。当这一现象发生时，等式（9）不再成立，所以这个等式仅在VD小于沟道夹断时的漏极电压时才有效。l当沟道被夹断时，仍然有电流流过，因为电子通过沟道向漏端运动时没有势垒阻挡，当他们到达夹断区边界（夹断点）时，被从漏端指向源端的电场直接拉到漏端。JFET中耗尽区性质中耗尽区性质漏极电

8、压大于饱和电压时漏极电压大于饱和电压时 如果漏端电压继续增加，更多的电压将会降落在漏端附近的这一耗尽的高场区，漏极电流将保持不变（饱和），这种现象称为饱和。JFET的输出特性曲线的输出特性曲线 短沟道时，有效沟道长度缩短，饱和特性曲线与上述曲线有较大偏差。例：沟道掺杂浓度为1016cm-3时，比饱和电压高5V的电压将使沟道耗尽区增加1.0m，当L=8m时，L/Leff=8/7， 当L=2m，则会发生较大偏差。JFET的转移特性曲线的转移特性曲线6.1.5 JFET参数参数l漏极饱和电压 l漏极饱和电流 l关断电压VT（Vp）l最小沟道电阻Rmin l栅极截止电流IGSS和栅极输入电阻RGS l

9、漏源击穿电压BVDS l输出功率PO l跨导gm 漏极饱和电压漏极饱和电压l定义：漏端附近沟道完全耗尽时对应的漏极电压。l饱和时耗尽层宽度为t，由（10）式得： （13）)(22GiSdsatVtqNV漏极饱和电流漏极饱和电流l定义：与饱和电压对应的漏极电流称为饱和漏电流 （14） （7）l上式L应变为Leff或乘以L/Leff。l 从（13）、（14）及输出特性曲线可以看出，饱和漏电流在栅偏压为零时最大，且随外加负偏压的增加而减小，相应的饱和漏极电压也减小。)(2321)(62/1220tqNVVtqNGIdGiSGiSdDsattNqLWGdn0关断电压关断电压VT（Vp）l负栅偏压足够大

10、时，饱和漏极电流将减少至零。l由（14）式得： （15） SdiTtqNV22最小沟道电阻最小沟道电阻Rminl定义：VGS=0，VDS足够小，即器件工作在线形区时，源漏之间的沟道电阻，也称为导通电阻。l由（1）、（4）、（5）得： （16）01)(GtWNqLWxtNqLWxLRdnddnw栅极截止电流栅极截止电流IGSS和栅极输入电阻和栅极输入电阻RGSl由于JFET的栅结总是反向偏置状态，因此，栅极截止电流就是PN结少子反向扩散电流、势垒区产生电流及表面漏电流的总和。l在平面型JFET中，一般表面漏电流很小，截止电流主要由PN结少子反向扩散电流、势垒区产生电流构成，其值在10-910-1

11、2A之间。因此，栅源输入电阻相当高，其值在108以上。但对于功率器件而言，栅极截止电流将大大增加。漏源击穿电压漏源击穿电压BVDSl在沟道较长器件中，当漏端栅结电压增加到PN结反向击穿电压时，漏端所加电压即为漏源击穿电压BVDS。l根据定义， BVDS-VGS=BVB l因此，漏源击穿电压 BVDS=VGS+BVBlBVB -栅PN结反向击穿电压；VGS -栅源电压。lN沟，VGS 0，所以，从上式可以得知，随着| VGS |的增加，BVDS下降。 输出功率输出功率POl正比于器件所能容许的最大漏极电流IDmax和器件容许的最高漏源峰值电压（BVDS-VDsat）的乘积。l即： Po正比于ID

12、max （BVDS-VDsat）l对于功率器件来讲，不仅要求其电流容量大，击穿电压高，且在最高工作电流下具有小的漏源饱和电压。跨导跨导gml 标志着栅极电压对漏极电流的控制能力，定义： （17）l跨导在饱和区达到最大值，由（17）式得： （18） 注意：上述分析包括了几个假设：注意：上述分析包括了几个假设：l耗尽层宽度由栅-沟道结控制，而不受衬底-沟道结影响。在漏极电压比等式（13）计算得到的电压低时沟道就完全耗尽。加在衬底和源之间的电压有时候也被用来控制器件的特性。l在（9）式中加入衬底偏置对为耗尽的沟道的调制作用，可以很容易计算出衬偏效应。)()()2(|2/12/12/120GiDGid

13、SconstVGDmVVVtqNGVIgD)(212/120GidSmsatVtqNGg6.2 金属-半导体场效应晶体管（MESFET）l6.2.1 MESFET结构的发展过程结构的发展过程l6.2.2 MESFET的栅结构的栅结构 l6.2.3 GaAs MESFET结构结构 6.2.1 MESFET结构的发展过程结构的发展过程最初结构最初结构l器件的有源层直接生长在掺Cr（铬）的半绝缘GaAs衬底上，然后在有源层上分别制作肖特基结和欧姆接触。 l缺点：缺点：由于有源层直接作在半绝缘衬底上，衬底上的缺陷，直接影响器件特性，因此这种结构的器件噪声特性差。添加一缓冲层添加一缓冲层l在有源层和衬底

14、之间添加缓冲层。l由于缓冲层减小了衬底缺陷对有源层的影响，所以器件噪声特性和增益均有所改善。掺入重掺杂的掺入重掺杂的N+层层可减小源漏串联电阻。此层可用外延生长或离子注入掺杂而成。 凹槽结构凹槽结构可降低漏接触处电场，从而提高击穿电压，增加器件的输出功率。 6.2.2 MESFET的栅结构的栅结构 半绝缘结构半绝缘结构l 对于普通的MESFET，当栅下杂子浓度达到1017cm-3时，肖特基势垒结的漏电流增加，器件特性变坏。因此要减小栅结漏电流，必须降低栅下半导体的杂子浓度。l 用Ar+轰击形成半绝缘栅。缓冲层结构缓冲层结构l栅金属与有源层间插入一低浓度的缓冲层。l优点：可以减小器件的栅电容，降

15、低栅结漏电流，提高栅击穿电压，改善器件微波特性，对提高截止频率和最大振荡频率有利。埋栅结构埋栅结构 利用Pt在热处理时掺入GaAs中形成的埋栅结构，与凹栅相似。 自对准结构自对准结构 栅以外是高浓度区，因而可以减小表面能级的影响。 双栅结构双栅结构l栅极G1、G2互相独立，靠近源侧的G1为信号栅，靠近漏侧的G2为信号栅。优点：优点：l可以分别对两个栅极进行控制，使电路功能增加；l第二个栅G2可以减弱器件内部反馈，从而提高器件增益，增加器件的稳定性。6.2.3 GaAs MESFET结构结构普通的普通的GaAs MESFET结构结构GaAs与与Si相比的优点：相比的优点：l电子迁移率比Si约高5倍；l约两倍于Si饱和速度的峰值速度；l衬底的半绝缘性；l可制作良好的肖特基结制备方法：制备方法：l在掺Cr的半绝缘衬底上生长缓冲层；l掺S的N型有源层有凹栅的有凹栅的GaAs MESFET结构结构G