北工大復(fù)試筆試-晶體管課件

1．非飽和區(qū)特性及漏極電流飽和機構(gòu)JFET或MESFET的溝道長度縮短到一定數(shù)值以下或L/a不足夠大時，將出現(xiàn)實驗測量特性相對于長溝道理論(肖克萊理論)預(yù)示值的偏離。產(chǎn)生偏離的原因，一方面是緩變溝道近似成立的條件遭到破壞(L/a值低)；另一方面，更主要的是由于強場下溝道載流子的遷移率調(diào)制效應(yīng)。低場漂移速度與場強呈正比變化，具有恒定的低場遷移率。隨場強升高，漂移速度的上升速度隨場強增加而逐漸變慢。

溝道長度縮短了的JFET、MESFET特性相對長溝理論的偏離主要表現(xiàn)為：(1)飽和漏源電壓減小，(2)飽和漏電流減小以及(3)飽和區(qū)跨導(dǎo)降低。考慮了遷移率調(diào)制效應(yīng)之后，短溝道器件特性的這些偏離，逐一都可得到解釋。

漂移速度一場強關(guān)系(v-ε)表示為（5－129）式中μn為低場遷移率，n溝MESFET中dV/dy＝|εy|。引用歐姆定律將溝道電流表示為ID＝qNDvb(y)W（5－130）式中W為溝道寬度；對于非對稱器件，b（y）應(yīng)被稱為溝道厚度而不是半厚度，b(y)＝a-h(y)，a是指冶金溝道厚度。引入將（5－129）式代人（5—130）式，整理后變成（5－131）等式兩端同乘以分離變量并對y從0積分到L，對u從uS積分到uD。完成積分之后整理出(5-132)為表示方便，通常用Γ代替，即（5－133）對于指定的工作點（VGS、VDS），短溝道MESFET（Γ>0）的漏極電流明顯地低于肖克萊模型的計算值（Γ＝0）。前面舉出的第二種偏離也就這樣得到了解釋。

由確定的極值點可以求出進入飽和區(qū)時所加的VDS。若用uDS代表極值點上的uD，則uDS滿足以下方程：（5-135）然后利用下式即可算出VDsat。從（5—135）式求uDS時得不到解析解，只能有數(shù)值解。用uDS的數(shù)值解計算的VDsat/VP~us曲線如圖5－36所示，圖上所注uDS-uS即VDsat/VP。Γ＝0曲線代表不考慮遷移率調(diào)制效應(yīng)的肖克萊理論結(jié)果。圖5－36MESFET的（uDS~us）～uS曲線所有?！?的其它曲線都分布在Γ=0的下面，對于同一uS（即同一VGS），這些曲線上的VDsat/VP都低于肖克萊理論值，而這正是考慮了遷移率電場調(diào)制效應(yīng)的結(jié)果，前面舉出的第一種偏離也就這樣得到了解釋。

藉助偏微分的鏈式法則，飽和區(qū)跨導(dǎo)gms可表示為（5—143）上式前面的常數(shù)3IP/VP實際上即現(xiàn)在討論的非對稱柵器件的冶金溝道電導(dǎo)：

這說明第三種偏離也可以用遷移率調(diào)制效應(yīng)給以解釋。漏電流的飽和機理之一－－－速度飽和效應(yīng)：ID＝qNDvb(y)W（5-130）式中q、W、ND是常數(shù)，b(y)和v都是y的函數(shù)。在指定工作點上，若VGS和VDS都已固定，由于溝道電流保持為常數(shù)，所以溝道任一截面上的vb(y)乘積都應(yīng)等于同一數(shù)值。沿著從源到漏的方向，只要VDs≠0，溝道厚度將逐漸減小，載流子的漂移速度則應(yīng)當是逐漸增大，因此溝道漏端的載流子漂移速度最高。

短溝道JFET與長溝道JFET相比，同樣VDS下前者的溝道平均場強和漏端場強都比后者的高。所以短溝道器件有可能VDS增加到某一數(shù)值時漏端達到載流子漂移速度飽和臨界場強，而漏端未夾斷。如若繼續(xù)增加VDS，由于已達飽和值，漏端載流子漂移速度不會再提高，溝道的截面積也不可能增大，b（L）和V（L）都將保持等于常數(shù)，因而漏極電流飽和。通常稱這種飽和機構(gòu)為漏端速度飽和。2·短柵MESFET的電流飽和模型現(xiàn)以制作在絕緣襯底上的硅n—MESFET為例，討論飽和區(qū)工作。圖5—38為不同工作模式下器件橫截面示意圖和溝道電場分布圖，（a）、（b）、（c）分別代表非飽和、臨界飽和及飽和三種工作方式。圖5－38三種不同工作方式下的MESFET溝道電場分布

按載流子漂移速度是否飽和，可將溝道劃分成幾段，分別討論其中的電流。y＝0~y1段載流子漂移速度未飽和，漏極電流遵循(5-130)式，b與v的乘積保持等于常數(shù)，沿y方向b減小同時v增大，溝道維持電中性，n=ND。y=y1-y3段εy＞εc，載流子漂移速度飽和，溝道厚度沿y方向的變化是先減小而后增大。從y＝y(tǒng)1開始，由干b逐漸減小，而v＝vsl，若n仍然維持和ND相等，則不可能有載流子的穩(wěn)定的連續(xù)流動；只有出現(xiàn)電子積累，使該區(qū)間上處處n與b的乘積都與NDb(yl)相等才會有穩(wěn)定的漏極電流。yl＜y＜y2這段溝道的b小于b（y1），所以n＞ND，相當于出現(xiàn)凈負電荷。而在y2＜y＜y3范圍內(nèi)，εy＞εc，載流子的漂移速度仍然飽和，但是b＞b(y1)，要維持nb＝NDb(yl)必須n＜ND，這就相當于出現(xiàn)凈正電荷，它與前面提到的凈負電荷一起組成空間電荷偶極層。y>y3時εy<εc,漂移速度不在飽和．雖然b沿y方向還在繼續(xù)增大，但是只靠v的減小已經(jīng)能使bv的乘積等于b(y1)vsl,從而維持穩(wěn)定電流．無需耗盡可動載流子，溝道維持電中性。

分析表明，若存在空間電荷偶極層，VDs－VDsat將集中地降落于其上。VDS增加時雖然偶極層會向外擴展