Lecture9v2电子教案

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。Lecture9v2-第九讲金属半导体场效应晶体管（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）1，半绝缘衬底；2，金属半导体场势垒栅；3，阈值控制；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BJT/FET比较（续）那好，但是在势垒的控制上有更多的不同B

2、JTFET载流子基极中的少数载流子沟道中的多数载流子流动机理势垒控制基极中的扩散与基极直接接触沟道中的漂移门电路元件导致的改变电流的机理，少数载流子扩散和多数载流子漂移，可能是最重要的不同。FET机理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）/金属半导体场效应晶体管（MESFET）结型场效应晶体管（JFET）对栅源结施加反向偏压会增加栅极耗尽层宽度，并限制源极和漏极之间的n型导带。JFET（续）工作区：a，夹断以下的线性区VPVGS0,VDS小b，接近夹断的线性区VPVGS0,VDS接近(VGSVP)c，夹断区VPVGS(VGSVP)d，夹断区VGSVP0金属半

3、导体场效应晶体管（MESFET）其作用与JFET的很相似。P-n结栅极被肖特基势垒代替，并且低接触和P-n结被消除，由于轻微掺杂的p型衬底被半绝缘衬底代替。MESFET的电流-电压特性我们研究两种电流，iG和iD，试图找出它们关于两种电压，vGS和vDS的函数关系：iG（vGS，vDS）和iD（vGS，vDS）如果把模型中的漏源电压限制在大于零，把栅源电压限制在小于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iG0。iD（vGS，vDS），如果vGSVon，并且vDS0我们的主要问题是找到漏极电流iD的表达式。漏极电流的路径是通过沟道到源极，我们用渐变沟道近似对其建模。MESF

4、ET的电流-电压特性我们用来描述漏极电流-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，中止于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直的，电流是严格水平的MESFET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，我们可以解两个独立的一维问题：1，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2，y方向上的漂移问题，目的是找到沿着沟道的电压降和电流的关系。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。MESFET的电流-电压特性：垂直方向静电问题沿着沟道y

5、位置上的面载流子浓度是：此处的耗尽层宽度为：结合上两式得到：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定义Vcs(y)为沟道中y点与源极有关的电压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，iD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-电压特性：水平方向漂移电流问题(续)我们得到电流表达式：将各项重新排列，乘dy，将两边从y=0,vcs=0到y=l,vcs=vDS进行积分：进行积分，两边

6、除L，得到：MESFET的电流-电压特性：线性或三极管区我们的结果是：图示为：这个结果在适用于xd(y)=a之前，这种情况发生在y=L点，时。MESFET的电流-电压特性：饱和区对于较大的vDS，即，时电流iD还保持在峰值，即：其中：图示为：MESFET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表达式：夹断区：当(vGS-Vp)0vDS时：iD=0（当vGSVp时，对于所有的vDS，沟道都被夹断，器件也被夹断，即iD=0）饱和区：当0(vGS-Vp)vDS时：线性区：当0vDS(vGS-Vp)时：MESFET特性：沟道长度调制在实

7、际中，我们发现在饱和区中，iD随着vDS增大而轻微增大。这是因为在夹断点以上等效沟道长度随着vDS增大而减小。我们将其表示为：LL(1-vDS)其含义是：1/L(1+vDS)/L因此：Go(1+vDS)Go注意：参数的单位是1/伏特，根据惯例，它的倒数被称为初电压：初电压，VA=1/大信号模型：增强型FET在我们前面的讨论中，我们已经指出，在栅极没有偏压的情况，即vGS=0时，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如果栅极下面的掺杂层很薄，或者掺杂程度很轻，那么当栅极没有偏压时，它就会被完全耗尽。这样的器件叫做增强型FET（这种FET是典型的MOSFET）。必须对增强型MES

8、FET的栅极施加正向偏压，以开启沟道。增强型MESFET在栅极二极管导通前不会被开启。这是一个很重要的限制，MOSFET和MESFET之间的很大区别。MESFET线性等效电路MESFET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FET在饱和状态下被施加偏压的模型，我们使用此时的电流表达式：（注意iG=0，所以gi和gr都是零）线性等效电路模型图解法结果的电路表示法是：为了将这个模型推广到高频情况，我们引入小信号线性电容来表示栅极中储存的电荷。MESFET的速度饱和问题（图片已删除）见：图4-10-4:Shur,M.S.,PhysicsofSemiconductorDevicesEnglewoodCliffs,N.J.:Prentice-Hall,1990速度饱和模型对MESFET的电流-电压特性的影响模型A:模型B:速度饱和的影响模型A前面的模型在Sy在一些点上等于Ssat之前一直成立；在那之后，电流即饱和模型A：速度饱和的影响模型B模型B:容易证明，我们在速度未饱和线性区的得到的表达式符合这个模型：这就是乘因数1/(1+VDS/FcritL)的原始表达式爆炸型或T栅极MESFET（图片已删除）见：HollisandMurphyin:Sze,S.M.,ed.,HighSpeedSemiconductorDevi