1、第六章第六章 結(jié)型場效應(yīng)晶體管結(jié)型場效應(yīng)晶體管l6.1 pn結(jié)場效應(yīng)晶體管（結(jié)場效應(yīng)晶體管（JFET）l6.2 金屬金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MESFET）l參考書參考書1集成電路器件電子學(xué)（第三版）集成電路器件電子學(xué)（第三版）Device Electronics for Integrated Circuit Richard S. Muller, Theodore I. Kamins, Mansun Chan 著王燕，張莉譯著王燕，張莉譯 許軍審效許軍審效, 電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社p184-190頁頁2晶體管原理，劉永晶體管原理，劉永 張福海編著，國防工業(yè)出版社，張福

2、海編著，國防工業(yè)出版社，2002.1，p273-303 6.1 pn結(jié)場效應(yīng)晶體管（JFET）l6.1.1 JFET器件基本工作原理l6.1.2 JFET器件器件類型和代表符號l6.1.3 JFET器件分析-源極接地，漏極上加小的偏壓VDl6.1.4 JFET器件分析-源極接地，漏極上加大的偏壓VD l6.1.5 JFET參數(shù) 6.1.1 JFET器件基本工作原理器件基本工作原理l源極向溝道提供多數(shù)載流子。l溝道：柵極的耗盡區(qū)和襯底pn結(jié)耗盡區(qū)之間的中性區(qū)。襯底通常接地。ln溝道JFET中漏極正偏，電流通過溝道從漏極流向源極。l如果將源極接地，同時在柵極上加負(fù)偏壓，pn界的耗盡區(qū)將擴(kuò)大，溝道變

3、窄，溝道電阻增加，導(dǎo)致從溝道流向源端的電流減小，柵極上外加偏壓可以控制溝道中的電流。lp 溝道JFET中電流從源端流向漏端。l因?yàn)橹挥猩倭康碾娏髁飨蚍雌玴n結(jié)，所以控制電極上的功耗非常小，而更多的功率通過控制電流得以傳遞。這種結(jié)型場效應(yīng)晶體管可用做功率放大器。N溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管的基本結(jié)構(gòu)溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管的基本結(jié)構(gòu)6.1.2 JFET器件器件類型和代表符號器件器件類型和代表符號l耗盡型：柵壓為零時已存在導(dǎo)電溝道的器件。（常開）l增強(qiáng)型：柵壓為零時不存在導(dǎo)電溝道的器件。（常關(guān)）l例：高阻材料，當(dāng)柵壓為零時，柵結(jié)擴(kuò)散電勢已使溝道完全耗盡而夾斷，因而柵壓為零時不存在導(dǎo)電溝道，只有當(dāng)施加一定的正

4、向柵壓才能形成導(dǎo)電溝道的器件，叫增強(qiáng)型器件。l應(yīng)用：高速低功耗電路GDSGDSGDSGDS耗盡型耗盡型增強(qiáng)型增強(qiáng)型P溝溝N溝溝6.1.3 JFET器件分析-源極接地，漏極上加小的偏壓VD公式推導(dǎo)公式推導(dǎo)l溝道電阻： （1）l式中溝道電阻率： （2）l漏極電流： （3）l （4）l （5）l把（4）、（5）代入（3）得 （6）ln型區(qū)完全沒有耗盡區(qū)時的電導(dǎo)： （7）柵長為柵長為L的的JFET的溝道區(qū)的溝道區(qū)WxLRw1)(dNq)(DwdnDDVxNqLWRVIdwxtx2/1)(2GidSdVqNxDGidSdnDVVtqNtNqLWI)(212/12tNqLWGdn0討論討論l電流 （8）l

5、在給定柵壓下，并且外加漏極電壓很小時，可得到ID和VD之間呈線性關(guān)系；l而根據(jù)柵溝道結(jié)為突變結(jié)的條件，上式中漏極電流與柵極電壓成平方根關(guān)系；l電流在外加?xùn)艠O電壓等于零時最大。 DGidSDVVtqNGI)(212/1206.1.4 JFET器件分析-源極接地，漏極上加大的偏壓VD當(dāng)漏端電壓相對源端較高時，當(dāng)漏端電壓相對源端較高時，JFET溝道中耗盡溝道中耗盡區(qū)寬度沿溝道方向發(fā)生變化區(qū)寬度沿溝道方向發(fā)生變化l溝道和柵之間的電壓是y的函數(shù)，因此耗盡區(qū)寬度和溝道橫截面積都隨y變化。耗盡區(qū)靠近漏端的電壓比源端高，因此耗盡區(qū)在漏端要寬一些。l采用緩變近似，即假設(shè)從源端到漏端，溝道和耗盡寬度變化緩慢。電流

6、電壓關(guān)系推導(dǎo)電流電壓關(guān)系推導(dǎo)ly處溝道長度dy上的電壓增量為： （9）l耗盡區(qū)寬度 受到電壓 的控制， 是y處的溝道電勢 ，因此 （10）l把（10）代入（9）并對兩端積分得： （11）l求出積分，并重新整理得： （12）)(ddnDDxtNWqdyIdRIddx)(yVGi)(y2/1)(2yVqNxGidSddyVqNtNWqdyIDVGidSdnLD02/10)(2)()()2(322/32/32/120GiDGidSDDVVVtqNVGIJFET中耗盡區(qū)性質(zhì)中耗盡區(qū)性質(zhì)漏極電壓較小時漏極電壓較小時 在漏極電壓較小的情況下，（12）式變?yōu)椋?）式，電流隨漏極電壓線性增加。然而，當(dāng)漏極電壓

7、較大時，電流隨漏加電壓的增加緩慢。DGidSDVVtqNGI)(212/120JFET中耗盡區(qū)性質(zhì)中耗盡區(qū)性質(zhì)漏極電壓為飽和電壓時漏極電壓為飽和電壓時l當(dāng)漏極電壓較大時，電流將達(dá)到極大值，然后開始隨著漏極電壓增加而減少，但這與實(shí)際情況不符。 原因：當(dāng)漏極電壓增加時，漏端導(dǎo)電溝道的寬度減少，直到該區(qū)域完全耗盡，如圖上圖所示。當(dāng)這一現(xiàn)象發(fā)生時，等式（9）不再成立，所以這個等式僅在VD小于溝道夾斷時的漏極電壓時才有效。l當(dāng)溝道被夾斷時，仍然有電流流過，因?yàn)殡娮油ㄟ^溝道向漏端運(yùn)動時沒有勢壘阻擋，當(dāng)他們到達(dá)夾斷區(qū)邊界（夾斷點(diǎn)）時，被從漏端指向源端的電場直接拉到漏端。JFET中耗盡區(qū)性質(zhì)中耗盡區(qū)性質(zhì)漏極電

8、壓大于飽和電壓時漏極電壓大于飽和電壓時 如果漏端電壓繼續(xù)增加，更多的電壓將會降落在漏端附近的這一耗盡的高場區(qū)，漏極電流將保持不變（飽和），這種現(xiàn)象稱為飽和。JFET的輸出特性曲線的輸出特性曲線 短溝道時，有效溝道長度縮短，飽和特性曲線與上述曲線有較大偏差。例：溝道摻雜濃度為1016cm-3時，比飽和電壓高5V的電壓將使溝道耗盡區(qū)增加1.0m，當(dāng)L=8m時，L/Leff=8/7， 當(dāng)L=2m，則會發(fā)生較大偏差。JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線的轉(zhuǎn)移特性曲線6.1.5 JFET參數(shù)參數(shù)l漏極飽和電壓 l漏極飽和電流 l關(guān)斷電壓VT（Vp）l最小溝道電阻Rmin l柵極截止電流IGSS和柵極輸入電阻RGS l

9、漏源擊穿電壓BVDS l輸出功率PO l跨導(dǎo)gm 漏極飽和電壓漏極飽和電壓l定義：漏端附近溝道完全耗盡時對應(yīng)的漏極電壓。l飽和時耗盡層寬度為t，由（10）式得： （13）)(22GiSdsatVtqNV漏極飽和電流漏極飽和電流l定義：與飽和電壓對應(yīng)的漏極電流稱為飽和漏電流 （14） （7）l上式L應(yīng)變?yōu)長eff或乘以L/Leff。l 從（13）、（14）及輸出特性曲線可以看出，飽和漏電流在柵偏壓為零時最大，且隨外加負(fù)偏壓的增加而減小，相應(yīng)的飽和漏極電壓也減小。)(2321)(62/1220tqNVVtqNGIdGiSGiSdDsattNqLWGdn0關(guān)斷電壓關(guān)斷電壓VT（Vp）l負(fù)柵偏壓足夠大

10、時，飽和漏極電流將減少至零。l由（14）式得： （15） SdiTtqNV22最小溝道電阻最小溝道電阻Rminl定義：VGS=0，VDS足夠小，即器件工作在線形區(qū)時，源漏之間的溝道電阻，也稱為導(dǎo)通電阻。l由（1）、（4）、（5）得： （16）01)(GtWNqLWxtNqLWxLRdnddnw柵極截止電流柵極截止電流IGSS和柵極輸入電阻和柵極輸入電阻RGSl由于JFET的柵結(jié)總是反向偏置狀態(tài)，因此，柵極截止電流就是PN結(jié)少子反向擴(kuò)散電流、勢壘區(qū)產(chǎn)生電流及表面漏電流的總和。l在平面型JFET中，一般表面漏電流很小，截止電流主要由PN結(jié)少子反向擴(kuò)散電流、勢壘區(qū)產(chǎn)生電流構(gòu)成，其值在10-910-1

11、2A之間。因此，柵源輸入電阻相當(dāng)高，其值在108以上。但對于功率器件而言，柵極截止電流將大大增加。漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓BVDSl在溝道較長器件中，當(dāng)漏端柵結(jié)電壓增加到PN結(jié)反向擊穿電壓時，漏端所加電壓即為漏源擊穿電壓BVDS。l根據(jù)定義， BVDS-VGS=BVB l因此，漏源擊穿電壓 BVDS=VGS+BVBlBVB -柵PN結(jié)反向擊穿電壓；VGS -柵源電壓。lN溝，VGS 0，所以，從上式可以得知，隨著| VGS |的增加，BVDS下降。 輸出功率輸出功率POl正比于器件所能容許的最大漏極電流IDmax和器件容許的最高漏源峰值電壓（BVDS-VDsat）的乘積。l即： Po正比于ID

12、max （BVDS-VDsat）l對于功率器件來講，不僅要求其電流容量大，擊穿電壓高，且在最高工作電流下具有小的漏源飽和電壓。跨導(dǎo)跨導(dǎo)gml 標(biāo)志著柵極電壓對漏極電流的控制能力，定義： （17）l跨導(dǎo)在飽和區(qū)達(dá)到最大值，由（17）式得： （18） 注意：上述分析包括了幾個假設(shè)：注意：上述分析包括了幾個假設(shè)：l耗盡層寬度由柵-溝道結(jié)控制，而不受襯底-溝道結(jié)影響。在漏極電壓比等式（13）計(jì)算得到的電壓低時溝道就完全耗盡。加在襯底和源之間的電壓有時候也被用來控制器件的特性。l在（9）式中加入襯底偏置對為耗盡的溝道的調(diào)制作用，可以很容易計(jì)算出襯偏效應(yīng)。)()()2(|2/12/12/120GiDGid

13、SconstVGDmVVVtqNGVIgD)(212/120GidSmsatVtqNGg6.2 金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MESFET）l6.2.1 MESFET結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程l6.2.2 MESFET的柵結(jié)構(gòu)的柵結(jié)構(gòu) l6.2.3 GaAs MESFET結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 6.2.1 MESFET結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程最初結(jié)構(gòu)最初結(jié)構(gòu)l器件的有源層直接生長在摻Cr（鉻）的半絕緣GaAs襯底上，然后在有源層上分別制作肖特基結(jié)和歐姆接觸。 l缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：由于有源層直接作在半絕緣襯底上，襯底上的缺陷，直接影響器件特性，因此這種結(jié)構(gòu)的器件噪聲特性差。添加一緩沖層添加一緩沖層l在有源層和襯底

14、之間添加緩沖層。l由于緩沖層減小了襯底缺陷對有源層的影響，所以器件噪聲特性和增益均有所改善。摻入重?fù)诫s的摻入重?fù)诫s的N+層層可減小源漏串聯(lián)電阻。此層可用外延生長或離子注入摻雜而成。 凹槽結(jié)構(gòu)凹槽結(jié)構(gòu)可降低漏接觸處電場，從而提高擊穿電壓，增加器件的輸出功率。 6.2.2 MESFET的柵結(jié)構(gòu)的柵結(jié)構(gòu) 半絕緣結(jié)構(gòu)半絕緣結(jié)構(gòu)l 對于普通的MESFET，當(dāng)柵下雜子濃度達(dá)到1017cm-3時，肖特基勢壘結(jié)的漏電流增加，器件特性變壞。因此要減小柵結(jié)漏電流，必須降低柵下半導(dǎo)體的雜子濃度。l 用Ar+轟擊形成半絕緣柵。緩沖層結(jié)構(gòu)緩沖層結(jié)構(gòu)l柵金屬與有源層間插入一低濃度的緩沖層。l優(yōu)點(diǎn)：可以減小器件的柵電容，降

15、低柵結(jié)漏電流，提高柵擊穿電壓，改善器件微波特性，對提高截止頻率和最大振蕩頻率有利。埋柵結(jié)構(gòu)埋柵結(jié)構(gòu) 利用Pt在熱處理時摻入GaAs中形成的埋柵結(jié)構(gòu)，與凹柵相似。 自對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)自對準(zhǔn)結(jié)構(gòu) 柵以外是高濃度區(qū)，因而可以減小表面能級的影響。 雙柵結(jié)構(gòu)雙柵結(jié)構(gòu)l柵極G1、G2互相獨(dú)立，靠近源側(cè)的G1為信號柵，靠近漏側(cè)的G2為信號柵。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：l可以分別對兩個柵極進(jìn)行控制，使電路功能增加；l第二個柵G2可以減弱器件內(nèi)部反饋，從而提高器件增益，增加器件的穩(wěn)定性。6.2.3 GaAs MESFET結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)普通的普通的GaAs MESFET結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)GaAs與與Si相比的優(yōu)點(diǎn)：相比的優(yōu)點(diǎn)：l電子遷移率比Si約高5倍；l約兩倍于Si飽和速度的峰值速度；l襯底的半絕緣性；l可制作良好的肖特基結(jié)制備方法：制備方法：l在摻Cr的半絕緣襯底上生長緩沖層；l摻S的N型有源層有凹柵的有凹柵的GaAs MESFET結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)G