第九讲金属半导体场效应晶体管(FET)概述

1、第九讲一金属半导体场效应品体管（FET）概述器件结构及作用概念和结构一般结构作用的基础：器件类型输出特性渐变沟道近似速度饱和速度饱和问题速度饱和的特性小信号等效模型高频性能制造工艺加工难题：（异质结构对我们生活有益的地方）半绝缘衬底:2.金属半导体场势垒柵：3,阑值拎制：4.栅电阻:5,内阻和漏电阻典型结果1.外延层台式晶体管；2,质子隔离；3,n+/n外延层和凹陷；4,向SI-GaAs中的直接注入BJT/FET比较器数子能势器数子能发中载的BJT中由VED控制叫orLBJT/FET比较（续）那好.但是在势命的控制上冇更多的不同载流子棊极中的少数载流子沟道中的多数载流子流动机理基极中的扩散沟道

2、中的漂移势金控制与棊极H接接触门电路元件导致的改变电流的机理，少数技流子扩散和多数找流子漂移，可能是最匝耍的不同。FET机理一-金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和结型场效应晶体管（JFET）/金属半&体场效应晶体管（MESFET）MOSFETScxirccAluminumDrainBJTFET产生的n型沟道JFETTTBJTFETBJTFET结型场效应晶体管（JFET）BJTFETBJTFET二丿P丿TTd,夹断区VgsVp0对栅源结丿施加反向偏床会増加栅极耗尽层宽度，并限制源极和漏极Z间的n型导帯。JFET（续）工作区：夹断以卜的线性区VpVgsO,Vds小接近夹断的线性区VpV

3、gs（Vgs-Vp）金属半Y体场效应晶体管（MESFET）1y0L其作用与JFET的很相似。P-n结栅极被肖特基势垒代替，并丄低接触和P-n结被消除，由丁轻微掺杂的p型衬底被半绝缘衬底代替。MESFET的电流电斥特性我们研究两种电流,iG和4试图找出它们关于两种电压,VGS和VDS的函数关系:1G（VGSVDS）和in（VGS,VDS）如果把模型中的漏源电压限制在大丁零,把栅源电压限制在小F肖特基二极管的开启电压，我们就可以认为栅极电流可以忽略，并且RTO。iD（VGSVDS）,如果VGSVon,并IIVDS0我们的主耍问题是找到漏极电流1D的衣达式。漏极电流的路彳空是通过沟道到源极,我们用渐

4、变沟道近似对其建模。MESFET的电流电压特性我们用來描述漏极电流电压的模型是渐变沟道近似。在这个模型中，我们假设沟道中的电流全部是在y方向，中止丁栅极的电场线完全是垂直的。渐变沟道近似：在沟道上的电场线是严格垂肖的.电流是严格水平的SchottkymetalS0-Semi-insulatingCiaAsChannel-DepletionregionDOhmicmetalMESFET的电流电压特性：渐变沟道近似如果渐变沟道近似是成立的，我们可以解两个独工的一维问题：水平（x）方向上的静电问题，确定：沟道中y方向上任意点上的流动电荷面密度y方向上的漂移问题，口的是找到沿着沟道的电压降和电流的关系

5、。将这个关系的表达式从y=0到y=L进行积分，就可以得到描述漏极电流和栅极及漏极电压的最终表达式。ChannelSchonkyX方向上的静电问题QncU】0DepleiionregionOhmicmetaly方向的载冰子漂移冋题-Scmi-inMjMESFET的电流电Wft：咂直方向静电问题0 xdyLa-Xvcs(y)沿着沟道y位置上的而我流子浓度是：M心)=g此处的耗尽层宽度为：b)=粗仇-vGS-怙(y)/q/v*结合I:两式得到:N的)-Ngu-扛叽一畑一怙3妙伽这就是我们想从垂直问题中得到的结果。MESFET的电流电压特性：水平方向漂移电流问题0定义Vcs(y)为沟道中y点与源极有关

6、的电斥Vcs(y)从y=L处的vds变化为y=0处的0沟道中的水平电场,Ey,-dvcs(y)/dy漏极电流，iD.从沟道右边流向左边的电流：iD是常数，不随y变化在任何y点，in是是那个y点的面电荷密度，与它的净漂移速度，和沟道宽度的乘积。MESFET的电流电斥特性：水半方向漂移电流问题(续)我们得到电流表达式:将各项亜新排列，乘dy,将两边从y=0,vcs=O到y=Lvcs=vw进行积分:将各项亜新排列，乘dy,将两边从y=0,vcs=O到y=Lvcs=vw进行积分:进彳j积分，两边除L,得到:MESFET的电流电斥特性：线性或三极管区我们的结果是:这个结果在适用J：xd（y）=aZ前.这

7、种情况发牛在y=L点,帕=怙一他一“/比）时。图示为:将各项亜新排列，乘dy,将两边从y=0,vcs=O到y=Lvcs=vw进行积分:将各项亜新排列，乘dy,将两边从y=0,vcs=O到y=Lvcs=vw进行积分:MESFET的电流电压特性：饱和区对丁较大的VDS,即，丫DS、GS一（一qNdMs）时电流io还保持在峰值，即：血-匕严-（九-严其中:w匕三(%qN心2)andGo三aqeNDn图示为:（mA）Linear/SaturationMESFET的电流电压特性：总结我们确定了夹端电压，Vp,和未耗尽沟道电导，Go：我们可以由此写出三个区中漏极电流的衷达式：夹断区：当（VGS-Vp）gv

8、DS时：iD=0（半VGSVp时，对J所有的VDS,沟道都被夹断，器件也被夹断，即iD=0）饱和区：当g（VGS-Vp）WVDS时：（九-vj-血-线性区：当(VDS(vGS-Vp)lM：MESFET特性：沟道长度调制在实际中，我们发现在饱和区中，iD随看VDS増人而轻微增人。这是因为在夹断点以上等效沟道长度随着VDS増大而减小。我们将兀表示为：LL(I-Xvds)其含义是：1/L-X1+Xvds)/L大了大信号模空：增强型FET在我们询啲的讨论中，我们C经指出，在栅极没有偏斥的情况，即vGS=Olj，源极和漏极之间有一个导电沟道。这样的器件叫做耗尽型FET如果栅极下而的掺杂层很薄.或者掺杂程

9、度很轻，那么当栅极没冇偏压时，它就会被完全耗尽。这样的器件叫做增强型FET(这种FE1是典型的MBFED。必须对増强型WSFE1的栅极施加正向偏压，以开启沟道。増强型WSFEI在栅极二极管导通前不会彼开心。这是一个很巫耍的限制，W6FETFEIZ间的很大区别。WSFEF线性等效电路NfSFEF一线性等效电路续）上页中的公式在数学上的恒等的：它们没有向我们提供器件的任何物理特性信息。我们需要一个描述FE1在饱和状态下被施加偏压的模熨，我们使用此时的电流表达式：（注意iG=a所以g和g都是零）线件等效也路模创一图解法结果的电路表示法是：g+ggsSgo为了将这个模型推广到高频情况.我们引入小信号线

10、性电容來表示栅极中储存的电荷。godVgsNBSFE1的速度饱和问题（图片已删除）见：图4104ShunMS.PhysicsofSemiconductorDevicesEnglewoodCIiff&NJ.:Prentice-HalL1990速度饱和模型一对MESFET的电流电压特性的影响模型%(化)=“如杲PyPeril速度饱和的影响前而的模型在链一些点上等J-Ssati前一直成立：在那Z后，电流即饱和0150.140.130.120.110000.0R0.070060.050040.030020.010Drain-to-sourccvoltagevl)s(V)模型Ad=“如果FyMFg速度饱和的影响一模型B模型B号,（耳）=1十容易证明，我们在速度未饱和线性区的得到的农达式符介这个模型:Gv丄此SZC匕）3/2当三畑三Wgsp）时这就是乘肉数1/a-Bte/FcritD的原始农达式爆炸型或1W极卜ESFET（图片己删除）见：Hol1isandMurphyi