半导体器件物理16

第四章结型场效应晶体管和金属－半导体场效应晶体管结型场效应晶体管又称PN结场效应晶体管，通常用其英文缩写词JFET（JunctionFieldEffectTransistor）表示。金属－半导体场效应晶体管又称肖特基势垒栅场效应晶体管，通常用其英文缩写词MESFET（MetalSemiconductorFieldEffectTransistor）表示。目前JFET和MESFET在微波、高速、高功率应用领域占据着重要的地位。§4.1JFET和MESFET的结构和工作原理（1）JFET的基本结构1．JFET和MESFET的结构上图为N沟道JFET的结构示意图。在N型半导体的上下两侧各有一个高掺杂的区，形成上下两个结，通常称之为栅结。N区两端各做欧姆接触，从其上引出的电极分别称为源极（S）和漏极（D）。上下区表面也做欧姆接触，引出的电极称为栅极（G），大多数JFET的上下栅极是连在一起的，因此，JFET实际上只有三个引出端。其中N区为电导沟道。JFET的结构参数主要有：沟道长度

、沟道宽度、沟道厚度等；工艺参数主要有N型沟道区和型栅极区的掺杂浓度和。（2）MESFET的基本结构与JFET结构类似，MESFET也有源极（S）、栅极（G）、漏极（D）三个引出端，主要区别是栅结不同。JFET的栅结为PN结；而MESFET的栅结为金属－半导体接触形成的肖特基势垒（或称肖特基结）。目前，半导体材料多选用GaAs。在半绝缘GaAs衬底上外延生长一层N型GaAs，然后用蒸发方法一次完成源、漏的欧姆接触和栅肖特基势垒。2．JFET的工作过程（a）（b）时工作过程（c）漏极电流－电压特性为了简化说明JFET的工作过程，把源极和栅极接地，使漏极电压置于，栅端PN结为反向偏压。忽略源和漏的接触电阻和它们下方的体电阻。在这些条件下，在处，栅PN结两边电压为零，但在处，整个电压都加在PN结上。当电流（称为漏极电流或漏电流）从漏极沿沟道流向源极时，由于沟道电阻的存在，从漏极端到源极端沿着整个沟道会产生电位降，即从处的下降到处的零电位。结果是，在漏的一端空间电荷区向沟道内扩展得更深些，如图（a）所示。当增加时，沟道的狭口变得更窄，沟道电阻进一步增大。随着漏端电压进一步增大，则将会达到如图（b）所示的情况：在处，空间电荷区连通，且连通区域内的自由载流子全部耗尽，这种现象叫做沟道夹断。沟道夹断时的漏电压称为饱和漏电压，用表示。夹断后再增加漏电压，夹断点将向源端移动，但由于夹断点电位保持为，所以漏电流将不会显著增加，因而电流处于饱和而沟道电阻变得很大。漏电流用表示，饱和漏电流用表示。漏相对地的电流－电压特性如上图（c）所示，其中称为夹断电压。

3．JFET和MESFET的分类无论是JFET还是MESFET，按导电的沟道可分为N沟道和P沟道型。按零栅压（）时器件的工作状态分为增强型（常关型）和耗尽型（常开型）。增强型指栅偏压为零时，沟道是夹断的，只有外加正向偏压时，才能开始导电。耗尽型指栅偏压为零时，沟道是导通的，而欲使沟道夹断，必须给PN结施加反向偏压。因此JFET和MESFET均有4种类型：N沟耗尽型、N沟增强型、P沟耗尽型和P沟增强型。（1）N沟耗尽型JFETN沟耗尽型的导电沟道为N型，栅极区为层。当时，已存在导电沟道，沟道电阻小，一旦在漏、源极之间加上电压，就有很大的电流流过沟道；只有当栅压为负，且高到一定程度时，漏极电流才截止（所以其夹断电压为负值）。（2）N沟增强型JFETN沟增强型与N沟耗尽型JFET的结构基本类似。当时，整个沟道已被栅结空间电荷所占满，全沟道夹断，沟道电阻很大，因此即使在漏、源极之间加上电压，沟道电流也接近于零（即N沟增强型JFET为常关型器件）。只有当正栅压（）高到一定程度时，漏极电流才开始显著增加，所以其阈值电压是正值。

（3）P沟耗尽型JFET（4）P沟增强型JFET各种类型的MESFET有与上述JFET相应的特点。P沟耗尽型导电沟道为P型半导体，栅极区为层。当栅极电压时，已存在导电沟道，沟道电阻小，一旦在漏、源极之间加上电压，就有很大的沟道电流流过沟道；只有当栅压为正，且高到一定程度时，漏极电流才截止。P沟增强型JFET与P沟耗尽型JFET的结构基本类似。当栅极电压时，整个沟道已被栅结空间电荷所占满，全沟道夹断，沟道