半导体物理器件-chapter

第五章

结型场效应晶体管和金属半导体场效应晶体-JFET

AND

MESFET©

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B.Li半导体器件物理场效应晶体管（Field

Effect

Transistor)是一种电压控制器件，用输入电压控制输出电流的半导体器件，仅由一种载流子参与导电。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟©

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B.Li半导体器件物理道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。©

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B.Li半导体器件物理从场效应晶体管的结构来划分，它有三大类。结型场效应晶体管JFET(Junction

Type

Field Effect

Transistor)金属半导体场效应晶体管MESFET(

Metal

Semiconductor

Field

Effect

Transistor)金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(Metal

Oxide

Semiconductor

Field

Effect

Transistor

）JFET

AND

MESFET1952年W.Shockley第一次提出JFET器件并对其特性进行了分析 ，提出了Shockley模型。1953

年

acey

和I.M.Ross

制造出第一只JFET。C.A.Mead于1966年首次

了MESFET器件。1967年W.W.Hooper和W.I.Lehrer

制造出第一只MESFET

。©

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B.Li半导体器件物理5.1

JFET的基本结构和工作过程•一图5-1

由两种工艺制成的

N

沟道JFET（a）外延—扩散工艺源极－Source－S

漏极－Drain－D（b）双扩散工艺栅极－Gate－G：上栅、下栅©

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B.Li半导体器件物理5.1

JFET的基本结构和工作过程二、工作原理场效应：半导体的电导(率)被垂直于半导体表面的电场调制的效应。图5-2

VG

0

的JFET：（a）VD

＜

VP

，（b）VD

=

VP

，（c）理想的漏极特性©

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B.Li半导体器件物理5.1

JFET的基本结构和工作过程JFET的几个突出的特点:①

JFET的电流传输主要由一种型号的载流子—多数载流子承担，不存在少数载流子的

效应，因此有利于达到比较高的截止频率和快的开关速度。②

JFET是电压控制器件。它的输入电阻要比BJT的高得多，在应用电路中易于实现级间直接耦合，因此其输入端易于与标准的微波系统匹配。©

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B.Li半导体器件物理③由于是多子器件，因此抗辐射能力强。④与BJT及MOS工艺兼容，有利于集成。早期的大多JFET用半导体硅材料制做，进入二十世纪九十年代，LnP、GaLnAsP等化合物半导体JFET被成功地制造出来，它们易于同GaLnAsP激光器及探测器集成在同一光电集成电路上。此外，

在高速GaAs

数字集成电路中，

用JFET

代替MESFET，可以改善电路单元的一些性能并能提高 的电学参数的

。©

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B.Li半导体器件物理©

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B.Li半导体器件物理5.2理想JFET的I-V特性理想的JFET基本假设及其意义单边突变结;沟道内杂质分布均匀：无内建电场，载流子分布均匀，无扩散运动。沟道内载流子迁移率为常数；忽略有源区以外源、漏区以及接触上的电压降，于是沟道长度为L；缓变沟道近似，即空间电荷区内电场沿y方向，而中性沟道内的电场只有X方向上的分量：二维问题化为一维问题。长沟道近似：L2（2a），于是W沿着L改变很小，看作是矩形沟道。5.2理想JFET的I-V特性图5-3

放大的图5-2的简图，说明在有源沟道内空间电荷区逐渐改变.N

©

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B.Li半导体器件物理5.2理想JFET的I-V特性夹断前的电流－电压特性JFET中x处耗尽层宽度为

©

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B.Li半导体器件物理qNdW

x

0

0

G

2k

Vx

V

12(5-2-1)(5-2-2)2令W=a，定义夹断电压VpV

VG

Vp夹断电压与内建电势差之和称为内夹断电压Vpoqa2

NVp0

Vp

0

d(5-2-3)可见，内夹断电压仅与器件的材料参数和结构参数决定，与外加电压无关。dxD

n

n

dI

qA

n

2q

N

a

W

Z

dV

Id

dx2qn

Nd

Z©

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B.Li半导体器件物理DVGL002ka

0

V

qNd

V

dV0漏极电流(5-2-4)2a

W

Z

为电流流过的截面积。5.2理想JFET的I-V特性(5-2-5)式中2

332GV

D

0

V

0

VG

DI

G0

VD

232k

0qa

2

NdL

2qaZn

NdG0(5-2-6)没有任何耗尽层时的沟道电导,即冶金学电导，也称增益因子，是JFET提供的最大电导。©

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B.Li半导体器件物理5.2理想JFET的I-V特性（b）

2.51015cm3

的硅N沟道JFET电流电压特性：（a）Rs

0

的式（5-4）的理论曲线，（b）实验结果（a

）图5-4

a

1.5m,

Z L

170,

N

dID（mA）048121620024

6VD

（V）8

10VG

0

1V

2V

3V

4V线性区饱和区ID（mA）048121620024

6VD

（V）8

10GV

0

1V2V

3V4V©

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B.Li半导体器件物理5.3

静态特性一、线性区令VDVG

,（5-2-5）式中的第二项：<<

0把（5-3-1）式代入（5-2-5）式并简化，得到（

5-3-2上式表明，漏极电流对漏极电压的确是线性依赖关系，也反映出栅极电压对I-V曲线斜率的明显影响。（5-3-1）

DGDGGV23

230

230233

V2

0

VG

0

V

1

VG

D0V

V

V

10

G©

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B.Li半导体器件物理DDVpo

VVI

G0

1

5.3

静态特性二、饱和区夹断点首先发生在漏端，漏极和栅极上的偏置电压的大小满足：VD

VG

VP

VD

VG

Vp

0

0

VD

Vp0

0

VG可见，夹断电压由栅电压和漏电压共同确定。对于不同的栅电压来说，为达到夹断条件所需要的漏电压是不同的。把（5-3-3）式代入（5-2-5）式，导出饱和漏极电I

D流S

：P0©

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B.Li半导体器件物理13G0VP0I

DSV

3

2

G0

1

0

VG

0

VG（5-3-3）（5-3-4）©

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B.Li半导体器件物理5.3

静态特性（5-3-4）式称为JFET的转移特性，并绘于图5-5中。在图5-5中，还画出了抛物线式中IDSS表示栅极电压为零（即栅源短路）时的漏极饱和电流。注意表示在（5-3-5）式中的简单平方律与（5-3-4）式非常接近。（5-3-5）2V

P0

IDSDSS

I

1

V

G5.3

静态特性实验发现，即使在y方向为任意非均匀的杂质分布，所有的转移特性都落在图5-5中所示的两条曲线之间。在放大应用当中，通常工作在饱和区，并且在已知栅电压信号时，可利用转移特性求得输出的漏极电流。图5-5JFET

的转移特性©

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B.Li半导体器件物理5.4

小信号参数和等效电路JFET所包含的电学属性：pG

G

DG图5-7具有源电阻和漏电阻的JEFT有源沟道

NpS

RDRSDSI

D©

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B.Li半导体器件物理5.4

小信号参数和等效电路1.线性区漏极导纳：定义为：由（5-3-2）式对漏电压求导得到（对于VG可见JFET是一个电压控制的可变电阻。（5-4-1）

VP0

）。2.线性区跨导：定义为：由（5-3-2）式对VG求导得到。

0

p0DVVIDg

G

1

dl

VG

0

VGVD©

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B.Li半导体器件物理p0V

0

VG

VDG

ID

G0mlVg2（5-4-2）5.4

小信号参数和等效电路3.饱和跨导：定义为在饱和区，由式（5-3-4）对求导得到。产生电流和表面漏泄电流的总和。在平面JFET型中，表面漏泄电流的成分通常很小。在一般器件中，栅极漏泄电流的数值在10-12~10-19A之间，由此得到的输入阻抗大于108。所以说JFET是高输入阻抗的电压控制器件。4.栅极漏泄电流：栅极漏泄电流用

rgd

表示.它们是P-N结反向饱和电流﹑和rgS（5-4-3）©

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B.Li半导体器件物理

0

p0GmVVI

Dsg

G

1

0

VG5.4

小信号参数和等效电路线性输出导纳等于饱和跨导。典型的跨导的实验曲线绘于图5-6中。图5-6跨导的理论曲线和实验曲线©

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B.Li半导体器件物理5.4

小信号参数和等效电路5.栅极电容：栅和沟道之间的P-N结在反偏压下所具有的结电容。则栅极总电容可以用下式表示在VG

0为简化设计，往往用两个集总电容，即栅一漏电容Cgd

和栅一源电容CgS

来表示，而不管栅电容的实际分布性质如何。WGC

2ZL

k0（5-4-11）W

为平均耗尽层宽度，ZL

为每个结的面积，因子2是考虑了两个P-N结的贡献，并处于夹断条件时，W

＝

a

2

，因而，夹断时的栅电容为：a©

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B.Li半导体器件物理GC

4ZL

k0（5-4-12）5.4

小信号参数和等效电路6.器件封装电容：器件封装在漏和源两端引起的小电容源、漏串联电阻RS

和RD

。漏极电阻rdS。它表示了漏电流的不饱和性，是由沟道长度的调制效应引起的（在以后

）。图5-8为考虑到上述因素的JFET的等效电路图。CdS©

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B.Li半导体器件物理5.4

小信号参数和等效电路图5-8小信号等效电路图5-9简化的小信号等效电路RSSDrgsm

gg

V简化的等效电路绘于图5-9中，对于大多应用，这种简单的电路已经足够。对于低频的运用，电容可以忽略不计。C

gdC

gSCdSgdrdsrRDGvgSDg

mVgC

gdCgSdsrGvgS©

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B.Li半导体器件物理5.5

JFET的截止频率fC

0截止频率

定义为不能再放大输入信号的最高频率。采用图5-9所示的等效电路，考虑输出短路的情形，当通过输入电容的电流与输出的漏极电流相等时，达到增益为1（不再放大）的条件。输入电流：输出电流：(5-5-2)截止频率：

2fco

Cgs

Cgd

vg

2fcoCG

vgiin（5-5-1）202fcoGG4k

Lgm

G0

qa

N2C

2Cn

d（5-5-3）i

o

u

t

=

g

m

v

g©

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B.Li半导体器件物理5.5

JFET的截止频率fC

0

为夹断电压所决定。在考虑最高频率时，通常这一项无法调节。（5-5-3）式中其它可调节的量为迁移率和沟道长度。为了实现最好的高频性能，要有高的迁移率和短的沟道长度。aG利用了

C

4ZL

k

0

和L

2qaZn

NdG0并令gm≤G0

得到的。qa2

Nd

k

0：在（5-5-3）式中2G2L2的项等于2VP0

，因而2CG

4k

0Lcof

gm

G0

qa2

n

Nd2C

Vp0

n（5-5-3）©

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B.Li半导体器件物理5.6夹断后的JFET的性能一、沟道长度调制效应沟道夹断之后，漏极电压进一步增加时，耗尽区的长度增加，电中性的沟道长度减小。这种现象称为沟道长度调制。图5-10夹断后的沟道长度调制©

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B.Li半导体器件物理©

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B.Li半导体器件物理5.6夹断后的JFET的性能VP在沟道中心，电中性的沟道区承受电压

，耗尽的沟道区承受电压

VD

。由于被减短的电中性沟道长度承受着同样的V，因而，对于夹P断后的任何漏极电压，都会使漏极电流略有增加。由于这个原因夹断后的漏极电流不是饱和的，漏极电阻为有限。VP5.6夹断后的JFET的性能二、饱和区的漏极电阻由于在夹断点VP

（夹断电压不变）不变，所以夹断后的漏极电流可通过修改（5-3-4）式求得式中新的沟道长度L'

承受夹断电压

VP

。L

'DSI

'DSL

I（5-6-1）'

0

G00G3G

V'0

P

0©

Dr.

B.Li半导体器件物理D

SI

,G

V

V

p

0

V

1

2

35.6夹断后的JFET的性能夹断后被耗尽的沟道长度增加了假设被耗尽的沟道向源端扩展与向漏端的扩展相等，夹断时小信号漏极电阻近似地用漏极电流—电压特性的斜率表示：（5-6-3）21

0

D

PqNdL

2k

V

V

0

D

P2

qNd1

2k

V

V

121L'

L

L

L

2（5-6-4）DS

DS©

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B.Li半导体器件物理

V

VD

VPdsI I

'

Ir（5-6-5）5.6夹断后的JFET的性能三、漏极击穿随着漏极电压的增加，会导致栅—沟道二极管发生雪崩击穿，这是漏电流突然增加所致。如绘于图5-11中的情形。击穿发生在沟道的漏端，因为那里有最高的反向偏压。此击穿电压可用下式表示（5-6-6）式

VD

中为击穿时的漏电压。VB

VD

VG©

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B.Li半导体器件物理5.6夹断后的JFET的性能©

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B.Li半导体器件物理5.7金属—半导体场效应晶体管MESFET的基本结构5-12

MESFET的俯视图实际的MESFET是利用半绝缘的GaAs衬底上的一层外延层制造的。以减小寄生电阻。

势垒是和源、漏两极的欧姆接触一起用蒸发的方法在N型外延层顶面上形成的。©

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B.Li半导体器件物理5.7金属—半导体场效应晶体管©

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B.Li半导体器件物理MESFET的两种类型常闭型或增强型：VG

0时MESFET的

势垒了N

GaAs外延层达到绝缘衬底，因此不出现导电沟道。工作时需要给耗尽层加上正向偏压， 使耗尽层变窄，

以致耗尽层的下边缘向层内回缩，离开半绝缘衬底，使得在耗尽层下方和绝缘体衬底之间形成导电沟道。5.7金属—半导体场效应晶体管MESFET的两种类型常开型或耗尽型：VG

0

时MESFET的

势垒没有达到N

GaAs

半绝缘衬底。

0

时就存在导电沟道，而欲使沟道夹断，则需给耗尽层加上值电压。显然VTH总是正的。此外，由于MESFET没有下沟道，因此其漏电流应是（5-2-5）式中的一半。VG负的栅偏压。由于MESFET与JFET工作原理相同，因此，前面几节对JFET所给出的理论的公式，都适合于MESFET，不过对于增强型MESFET，（5-2-3）中

VP

通常换成VTH。VTH

称为阈GV

0

0

Vp0VTH©

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B.Li半导体器件物理©

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B.Li半导体器件物理5.8

JFET和MESFET的类型耗尽（Depletion）型：栅偏压为零时就存在导电沟道，而欲使沟道夹断，必须施加反向偏压，使沟道内载流子耗尽（

常开型normally

on）。增强（Enhancement）型：栅偏压为零时，沟道是夹断的，只有外加正偏压时，才能开始导电（常闭型normally

off）。N-沟耗尽（depletion）型、N-沟增强（enhancement）型P-沟耗尽（depletion）型、P-沟增强（enhancement）型5.8

JFET和MESFET的类型©

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B.Li半导体器件物理©

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B.Li半导体器件物理5.9异质MESFET结和HEMT各半导体层是利用分子束外延技术在<100>方向的半绝缘磷化铟衬底上生长的。半导体层和磷化铟衬底具有良好的晶格匹配。这使界面陷阱密度很低。图5-14b是热平衡时的能带图。势垒（

b

0.8V

），若用Al直顶部的

Al0.48In0.52

As

层和铝栅极形成接和有源层接触，势垒太低。Ga0.47

In0.53

As层称为有源层，沟道中的电子被限制在该层内。这一有源层载流子迁移率比GaAs的高，所以能获得较高的跨导和较高的工作速度。GSDAlInAs60nmGaInAs145nmAlInAs100nmInP

衬底

＜100＞（a

）图5-14（a）双异质结MESFET的截面图一、异质结MESFET异质结MESFET的主要优点是工作速度快，称为快速晶体管。©

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B.Li半导体器件物理5.9异质MESFET结和HEMT热平衡时的能带图（b

）图5-14

（b）热平衡时的能带图1.46eVEg

1.46eV0.75eV1.3eVAl

AlInAsAlInAsGaInAsInP0.8eV沟道©

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B.Li半导体器件物理Ev

EcEFFE半导体器件物5.9异质MESFET结和HEMT二、HEMTHEMT叫作高电子迁移率晶体管，它是另一种类型的异质结。基本结构如图5-15a所示。5.9异质MESFET结和HEMT基本结构：在不掺杂的i

GaAs层；在i

AlxGa1x和与金属栅极形成衬底上外延生长一2

~

7nm

的宽禁带的i

AlxGa1x

As控制层，它As

层上再生长一层N

势垒，GaAs

和N

AlGaAs层的厚度和掺杂浓度（典型值为数十As层形成异质结。）决定器件的阈值电压。

Alx