第六章JFET的性質(zhì)

第六章JFET的性質(zhì)1第1頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)其結(jié)構(gòu)(主要指柵極結(jié)構(gòu))和制作工藝，F(xiàn)ET可分為三類：(1)結(jié)型柵場效應(yīng)晶體管(縮寫JFET)，由于原理上近似，有時也將肖特基柵場效應(yīng)晶體管--金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(縮寫MESFET)劃歸此類；(2)絕緣柵場效應(yīng)晶體管(縮寫IGFET)(3)薄膜場效應(yīng)晶體管(縮寫TFT)結(jié)型柵場效應(yīng)晶體管，其柵極的控制作用是通過反向偏置pn結(jié)或肖特基結(jié)來實現(xiàn)的。其導(dǎo)電過程發(fā)生在半導(dǎo)體材料的體內(nèi)，故JFET屬于“體內(nèi)場效應(yīng)器件”。絕緣柵場效應(yīng)晶體管和薄膜場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電過程均發(fā)生在半導(dǎo)體表面薄層內(nèi)。故從導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的角度看，它們均屬于“表面場效應(yīng)器件”。無論是“體內(nèi)的”，還是“表面的”，它們都具有場效應(yīng)半導(dǎo)體器件的共同特點：第2頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一(1)FET具有普通雙極晶體管所具有的特點，如體積小，重量輕(2)FET是一種電壓控制器件(通過輸入電壓的改變按制輸出電流，而雙極型晶體管為電流控制器件。(3)FET的直流輸入阻抗很高，一般可達(dá)109—1015Ω(4)FET類型多、偏置電壓的極性靈活、動態(tài)范圍大、其各級間可以采用直接耦合的形式，因而在電路設(shè)計中可提供較大的靈活性。(5)噪聲低，因而FET特別適合于要求高靈敏度、低噪聲的場合，如檢測各種微弱信號的儀器、儀表、醫(yī)療器械等。(6)熱穩(wěn)定性好。因為FET是一種多子器件，且可有正的、負(fù)的及正負(fù)交叉的零溫度系數(shù)工作點。只要在設(shè)計電路時使器件工作在零溫度系數(shù)工作點附近，即可消除溫度的影響。(7)抗輻射能力強(qiáng)，這也因為FET是多子器件。這一特點使其持別適用于航天器等承受強(qiáng)烈核輻射、宇宙射線輻射的裝備中。(8)與雙極晶體管相比，制作工序少、工藝簡單，有利于提高產(chǎn)品合格率、降低成本。第3頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一第六章結(jié)型場效應(yīng)晶體管6.1JFET的基本工作原理1.JFET的基本結(jié)構(gòu)2.JFET的基本工作原理3.JFET的特性曲線4.MESFET6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)1.肖克萊理論和JFET的直流特性2.JFET的直流參數(shù)3.JFET交流小信號參數(shù)4.非均勻溝道雜質(zhì)濃度分布5.四極管特性6.高場遷移率的影響7.關(guān)于溝道夾斷和速度飽和8.串聯(lián)電阻的影響9.溫度對直流特性的影響第4頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一第六章結(jié)型場效應(yīng)晶體管6.3JFET的交流特性1.交流小信號等效電路2.JFET和MESFET中的電容3.JFET的頻率參數(shù)6.5JFET結(jié)構(gòu)舉例1.MESFET2.JFET3.V型槽硅功率JFET6.4JFET的功率特性1.最大輸出功率PM2.最大輸出電流IF3.漏源擊穿電壓BVDS4.熱阻Rth第5頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.1JFET的基本工作原理柵極G源極S漏極DN溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型1.JFET的基本結(jié)構(gòu)第6頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.1JFET的基本工作原理1.JFET的基本結(jié)構(gòu)第7頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.1JFET的基本工作原理1.JFET的基本結(jié)構(gòu)第8頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.1JFET的基本工作原理2.JFET的基本工作原理（6-1）平衡態(tài)溝道電阻：VDSIDSSL2aDGGnP+P+AVGS=0VGS<0I'DsatV'DsatIDsatVDsatBC第9頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.1JFET的基本工作原理2.JFET的基本工作原理第10頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.1JFET的基本工作原理3.JFET的特性曲線

n溝JFET輸出特性第11頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.1JFET的基本工作原理3.JFET的特性曲線轉(zhuǎn)移特性第12頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一MESFET的工作原理和JFET相同，只是用金-半接觸取代了PN結(jié)做柵極。實際的MESFET是在半絕緣襯底上的外延層上制成的，以減小寄生電容。將金屬柵極直接做在半導(dǎo)體表面上可以避免表面態(tài)的影響。對于因為有高密度界面態(tài)而不能做成MIS器件的材料及很難形成pn結(jié)的材料，均可作成肖特基場效應(yīng)器件。一般半導(dǎo)體材料的電子遷移率均大于空穴遷移率，所以高頻場效應(yīng)管都采用n型溝道型式。6.1JFET的基本工作原理4.MESFET第13頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一GaAs與Si相比，電子遷移率大5倍，峰值漂移速度大一倍，所以在GaAs材料制備及其外延和光刻工藝發(fā)展成熟之后，GaAs-MESFET很快在高頻領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。它在工作頻率、低噪聲、高飽和電平、高可靠性等許多方面大大超過了硅微波雙極晶體管。由于JFET與MESFET在電學(xué)特性上相仿，而后者又主要用于高頻范圍。故討論直流特性以JFET為主，交流特性以MESFET為例。6.1JFET的基本工作原理4.MESFET第14頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.1JFET的基本工作原理4.MESFET第15頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.1JFET的基本工作原理表6-1JFET和MESFET的電路符號SDGSDGSDGSDGP溝道N溝道耗盡型增強(qiáng)型箭頭代表溝道電流方向短粗線代表溝道第16頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一第17頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一第18頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)1.肖克萊理論和JFET的直流特性2.JFET的直流參數(shù)3.JFET交流小信號參數(shù)4.非均勻溝道雜質(zhì)濃度分布5.四極管特性6.高場遷移率的影響7.關(guān)于溝道夾斷和速度飽和8.串聯(lián)電阻的影響9.溫度對直流特性的影響第19頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)1.肖克萊理論和JFET的直流特性肖克萊(Shockley)1952年提出的關(guān)于JFET的理論至今仍是分析JFET和MESFET各種理論的基礎(chǔ)。JFET在工作時，由于柵源電壓和漏源電壓同時作用，溝道中電場、電位、電流分布均為二維分布(如果認(rèn)為溝道無限寬)，方程求解非常復(fù)雜，肖克萊提出的緩變溝道近似模型很好地簡化了這個問題。該模型的基本核心點是：①假定溝道中電場、電位和電流分布均可用緩變溝道近似，(即沿溝道方向緩慢變化)②認(rèn)為漏極電流飽和是由于溝道夾斷所引起。第20頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)1.肖克萊理論和JFET的直流特性為了分析簡單起見做了一些可以修正的假設(shè)，其主要假設(shè)如下(以n溝JFET為例)：(1)忽略源接觸電極與溝道源端之間、漏接觸電極與溝道漏端之間的電壓降；(2)忽略溝道邊緣擴(kuò)展開的耗盡區(qū)，源極和漏極之間的電流只有y分量；(3)p+柵區(qū)與n型溝道區(qū)雜質(zhì)濃度NA、ND都是均勻分布的，且NA>>ND，即柵結(jié)為單邊突變結(jié)；(4)柵結(jié)耗盡區(qū)中沿垂直結(jié)平面方向的電場分量Ex與沿溝道長度方向使載流子漂移的電場分量Ey無關(guān)，且滿足，此即緩變溝道近似(GCA)；（溝道電荷密度遠(yuǎn)小于耗盡層電荷密度）(5)載流子遷移率為常數(shù)，與溝道中電場強(qiáng)度無關(guān)。第21頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一aaSDGP+nx06.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)1.肖克萊理論和JFET的直流特性VDSVGSaLh1h2aIDIn(y)yx第22頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)1.肖克萊理論和JFET的直流特性根據(jù)假設(shè)(4)，耗盡層中的電位僅與x有關(guān)，故可用一維泊松方程求解，根據(jù)式(1-93b)，作用在溝道y處耗盡層上的總電壓(包括外加?xùn)艍杭敖佑|電勢差)與該處空間電荷區(qū)寬度Xn(y)之間有如下關(guān)系：

(1-93b)(6-3)(6-4)使耗盡層改變一定厚度所需要的電壓改變量隨耗盡層厚度增大而增大，且與耗盡層邊界處空間電荷密度成正比。變換求導(dǎo)第23頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)1.肖克萊理論和JFET的直流特性當(dāng)溝道中不存在載流子濃度梯度時，可由歐姆定律寫出：SDGP+nx0h1h2aIDIn(y)yx第24頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)1.肖克萊理論和JFET的直流特性利用邊界條件積分，并由（6-11）（6-12）根據(jù)緩變溝道近似得到的JFET溝道夾斷前的電流-電壓方程(6-4)第25頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)1.肖克萊理論和JFET的直流特性以VDS=VDsat時，h2=a代入所得到的非飽和區(qū)電流-電壓方程，得（6-14）（6-15）（6-13）（6-13）代表飽和區(qū)的電流電壓關(guān)系（6-14）IDSS稱為最大飽和漏極電流（6-15）Vp0稱為本征夾斷電壓VGS=VD時VDS=0,h1=h2=a時柵結(jié)上的電壓Vp0=VD-Vp(VGS)第26頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)2.JFET的直流參數(shù)夾斷電壓JFET溝道厚度因柵p+-n結(jié)耗盡層厚度擴(kuò)展而變薄，當(dāng)柵結(jié)上的外加反向偏壓VGS使p+-n結(jié)耗盡層厚度等于溝道厚度一半(h=a)時，整個溝道被夾斷，此時的VGS稱為JFET的夾斷電壓，記為Vp。本征夾斷電壓Vp0=VD-Vp表示整個溝道由柵源電壓夾斷時，柵p-n結(jié)上的電壓降，為區(qū)別起見，稱為本征夾斷電壓。N或a越大，Vp

的絕對值將越大，即溝道越難夾斷。閾電壓VT夾斷電壓VP第27頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)2.JFET的直流參數(shù)最大飽和漏極電流IDSSVGS=VD時的漏極電流，又稱最大漏源飽和電流。（6-13）第28頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)2.JFET的直流參數(shù)

增大起始溝道厚度和溝道寬長比，減小溝道電阻率，可以增大JFET的最大飽和漏極電流。同時，IDSS與a的三次方成正比，因此應(yīng)準(zhǔn)確控制a以控制IDSS。第29頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)2.JFET的直流參數(shù)最小溝道電阻Rmin

Rmin表示VGS＝0、且VDS足夠小，即器件工作在線性區(qū)時,漏源之間的溝道電阻，也稱為導(dǎo)通電阻。對于耗盡型器件，此時溝道電阻最小，因而稱其為最小溝道電阻。

由于存在著溝道體電阻，漏電流將在溝道電阻上產(chǎn)生壓降。漏極電流在Rmin產(chǎn)生的壓降稱為導(dǎo)通溝道壓降。Rmin越大，此導(dǎo)通壓降越大，器件的耗散功率也越大。實際的JFET溝道導(dǎo)通電阻還應(yīng)包括源、漏區(qū)及其歐姆接觸電極所產(chǎn)生的串聯(lián)電阻RS和RD。它們的存在也將增大器件的耗散功率，所以在功率JFET中應(yīng)設(shè)法減小Rmin、RS和RD以改善器件的功率特性。第30頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)2.JFET的直流參數(shù)柵源截止電流IGSS和柵源輸入電阻RGS柵極截止電流是pn結(jié)(或肖特基結(jié))的反向飽和電流、反向產(chǎn)生電流和表面漏電流的總和。在平面型JFET，一般表面漏電流較小，截止電流主要由反向飽和電流與反向產(chǎn)生電流構(gòu)成。此時柵-溝道結(jié)中的電流可統(tǒng)—表示為：輸入電阻結(jié)型場效應(yīng)晶體管有較高的輸入電阻，且該電阻與溫度、反向偏壓及輻照等因素有關(guān)。第31頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)2.JFET的直流參數(shù)

在功率器件中，由于漏源電壓很高，在溝道中形成的強(qiáng)電場將有可能使漂移通過溝道的載流子獲得足夠高的能量去碰撞電離產(chǎn)生新的電子-空穴對，新產(chǎn)生的電子繼續(xù)流向漏極，使漏極電流倍增，而空穴則被負(fù)偏置的柵電極所收集，使柵極電流很快增長。因而，在高漏源偏置的功率JFET中，往往存在著超量柵極電流。在短溝道器件中，由于溝道電場強(qiáng)，更容易出現(xiàn)載流子倍增效應(yīng)。第32頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)2.JFET的直流參數(shù)柵源擊穿電壓BVGS表示柵源之間所能承受的柵p-n結(jié)最大反向電壓。

VDS=0時，此電壓決定于n型溝道區(qū)雜質(zhì)濃度。當(dāng)VDS>0時，漏端n區(qū)電位的升高使該處p-n結(jié)實際承受的反向電壓增大，所以實測的BVGS值還與VDS有關(guān)。

漏源擊穿電壓BVDS表示在溝道夾斷條件下，漏源間所能承受的最大電壓。在JFET中，無論是VGS，還是VDS，對于柵結(jié)都是反向偏壓，二者疊加的結(jié)果是漏端側(cè)柵結(jié)上所加的反向偏壓最大。第33頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)2.JFET的直流參數(shù)輸出功率Po

JFET最大輸出功率Po正比于器件所能容許的最大漏極電流IDmax和器件所能承受的最高漏源峰值電壓(BVDS-VDsat)。因受安全工作區(qū)、熱阻等限制可見，對一個性能良好的功率器件，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VDsat。BVDSVDSIDS0VDsatIDsat第34頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)3.JFET的交流小信號參數(shù)跨導(dǎo)gm跨導(dǎo)是場效應(yīng)晶體管的一個重要參數(shù)，它表示柵極電壓對漏極電流的控制能力?？鐚?dǎo)定義為漏源電壓VDS一定時，漏極電流的微分增量與柵極電壓的微分增量之比，即（6-11）第35頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)3.JFET的交流小信號參數(shù)非飽和區(qū)跨導(dǎo)：VDSIDSVGS=0VGS<0非飽和區(qū)跨導(dǎo)與VGS、VDS有關(guān)飽和區(qū)跨導(dǎo)僅與VGS有關(guān)第36頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)3.JFET的交流小信號參數(shù)使耗盡層改變一定厚度所需要的電壓改變量隨耗盡層厚度增大而增大，且與耗盡層邊界處空間電荷密度成正比。飽和區(qū)跨導(dǎo)隨柵壓幅度減小而增大，當(dāng)VGS=VD時達(dá)到最大值G0?？鐚?dǎo)的單位是西門子S(1S＝1A/V)。器件的跨導(dǎo)與溝道的寬長比W/L成正比，所以在設(shè)計器件時通常都是依靠調(diào)節(jié)溝道的寬長比來達(dá)到所需要的跨導(dǎo)值。由于存在著溝道長度調(diào)制效應(yīng)，要得到好的飽和特性，L就不能無限制地減小，一般控制L為5至10mm左右。為了增大器件的跨導(dǎo)，往往采用多個單元器件并聯(lián)的辦法來擴(kuò)大溝道寬度。非飽和區(qū)跨導(dǎo)隨柵電壓VGS和漏電壓VDS而變化，當(dāng)VGS=0(VD)，VDS=VDsat時，跨導(dǎo)達(dá)最大值。第37頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一P-SiP-Si6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)3.JFET的交流小信號參數(shù)N-外延層P+擴(kuò)散N型島P+P+P+柵區(qū)擴(kuò)散N+源漏擴(kuò)散氧化層N型島柵電極漏電極源電極圖6-10大跨導(dǎo)JFET圖形結(jié)構(gòu)(多溝道并聯(lián)）第38頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一漏極電導(dǎo)gD6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)3.JFET的交流小信號參數(shù)表示漏極電流隨漏源電壓的變化關(guān)系。定義為：第39頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)4.非均勻溝道雜質(zhì)濃度分布以上分析的基礎(chǔ)是溝道區(qū)雜質(zhì)均勻分布并采用單邊突變結(jié)近似，所得結(jié)論適合于合金法制得的JFET。實際上很多JFET和MESFET的溝道區(qū)雜質(zhì)都是非均勻分布的，如擴(kuò)散溝道、離子注入溝道等。即使是薄外延溝道的MESFET，其溝道摻雜也不完全均勻。有意識地控制溝道雜質(zhì)分布還可以得到不同于均勻溝道的良好性能(如微波噪聲性能，線性等)。因此非均勻溝道雜質(zhì)分布對于具體的JFET和MESFET的特性分析十分重要。第40頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)5.四極管特性前面所討論的都是把JFET的兩個柵區(qū)短接在一起做三端器件使用的情形。實用中也往往將兩個柵區(qū)分開并分別加上不同的柵壓或信號，使其成為四極管。這種應(yīng)用可以得到一些特殊的性能。對于具有高阻的、半絕緣或絕緣襯底的JFET或MESFET，由于下柵結(jié)的耗盡層基本不向溝道中擴(kuò)展，所以下柵對溝道電流沒有控制作用，不能作四極管應(yīng)用。圖6-14所示為一作四極管應(yīng)用的JFET。柵1和柵2雜質(zhì)濃度不等，分別為NA1和NA2，溝道雜質(zhì)均勻分布，且NA1、NA2>>ND。參照兩柵短接的三極管用法，可分別求出柵1和柵2的夾斷電壓和跨導(dǎo)，以及飽和區(qū)的有關(guān)參數(shù)。第41頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)5.四極管特性第42頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)5.四極管特性圖6-15給出了三種不同的工作模式下的特性。曲線C表示單柵工作，跨導(dǎo)很低，控制的線性度也很差。曲線A表示兩極并聯(lián)工作，跨導(dǎo)高(就是JFET的三極管用法)。曲線B表示用柵l的偏壓控制柵2的跨導(dǎo)，是直線關(guān)系。這種線性的控制特性是令人感興趣的，它提供了JFET的新用途。第43頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)6.高場遷移率的影響

以上討論均基于溝道中載流子遷移率為常數(shù)的假設(shè)。然而在短溝道器件中，這個條件并不滿足。在現(xiàn)代JFET和MESFET中，溝道長度僅1-2mm，甚至更短。即使在只有幾伏的漏源電壓下，溝道中的平均場強(qiáng)也可達(dá)l0kV/cm以上，靠近漏端的溝道中場強(qiáng)還遠(yuǎn)高于此值。短溝道器件中的這種溝道強(qiáng)電場將使器件的特性偏離肖克萊模型的結(jié)論。第44頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)6.高場遷移率的影響

由于高場下遷移率的變化將引起：1.遷移率隨場強(qiáng)上升而減小，導(dǎo)致漏極電流和跨導(dǎo)相對肖克萊模型減小，并隨溝道場強(qiáng)而變化；2.載流子達(dá)到極限漂移速度，使得漏極電流在溝道漏端夾斷之前飽和，跨導(dǎo)趨于常數(shù)；3.溝道漏端形成靜電偶極層，承受漏極電流飽和后增加的漏極電壓，并使溝道漏端不能夾斷。第45頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)6.高場遷移率的影響第46頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)6.高場遷移率的影響漂移速度隨電場的變化對漏極電流和跨導(dǎo)的影響第47頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)6.高場遷移率的影響(6-11)/(6-12)第48頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)6.高場遷移率的影響

說明當(dāng)溝道電場增強(qiáng)時，強(qiáng)場使遷移率減小，導(dǎo)致漏極電流降至低場值的(1+VDS/LEc)分之一。溝道長度越短，速度飽和效應(yīng)的影響就越大。器件的(飽和)漏極電流(以及跨導(dǎo))下降的幅度越大。

第49頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一絕緣襯底SGDEEc0Ly

在絕緣襯底上外延生長n型薄層硅，并在表面制作源區(qū)、漏區(qū)的歐姆接觸及肖特基勢壘結(jié)而成一硅短柵MESFET。6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)6.高場遷移率的影響短柵器件的速度飽和效應(yīng)當(dāng)柵源電壓一定且VDS較小時．柵下溝道厚度一定，呈現(xiàn)一定電阻值，此時溝道中電場也較小，IDS隨VDS線性上升。ycL′

VDS逐漸增大時溝道中的場強(qiáng)也增強(qiáng)。當(dāng)外加電壓大到使溝道中yc點以左E＜Ec、以右E＞Ec時，載流子在溝道中的運動情況分為兩段：第50頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)6.高場遷移率的影響短柵器件的速度飽和效應(yīng)絕緣襯底SGDEEc0LyycL′根據(jù)電流連續(xù)性原理，溝道中的電流應(yīng)處處相等。因而在強(qiáng)電場下，雖然漏端溝道并未夾斷，但漏極電流因受速度飽和效應(yīng)限制不再隨VDS上升而增加，在較低的漏源電壓下提前達(dá)到飽和值，輸出特性曲線則在更靠近坐標(biāo)原點處提前拐彎。！第51頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)6.高場遷移率的影響其中表示某一固定柵壓（VGS-VDS）下對應(yīng)h2厚度的耗盡層的單位面積的電容（對稱柵結(jié)構(gòu)）由于遷移率隨電場強(qiáng)度的變化，使溝道載流子速度飽和，在溝道尚未夾斷時，漏極電流（提前）飽和，跨導(dǎo)趨于常數(shù)，這一現(xiàn)象稱為短柵器件的速度飽和效應(yīng)。第52頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)6.高場遷移率的影響絕緣襯底SGDEEc0LyycL′漂移速度隨電場的變化對漏極電流和跨導(dǎo)的影響短柵器件的速度飽和效應(yīng)第53頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)6.高場遷移率的影響絕緣襯底SGDEEc0LyycL′短柵器件的電流飽和溝道漏端形成靜電偶極層，承受漏極電流飽和后增加的漏極電壓，并使溝道漏端不能夾斷。漏極電流在長溝器件中(E<Ec)，由源端到漏端溝通厚度b(y)逐漸變小,而要保持ID不變，則需借助于增強(qiáng)電場以增大載流子漂移速度加以補償，此時溝道中載流子濃度等于溝道摻雜濃度，無載流子的耗盡或積累。b(y)第54頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)6.高場遷移率的影響

在短溝道器件中，當(dāng)VDS使yc-L段E>Ec時，載流子速度不再隨電場而增加，只有改變載流子密度來補償溝道的變化，以維持電流的連續(xù)性。在yc-L區(qū)間內(nèi)將有n＞ND。但由于溝道在L處突然變寬，又導(dǎo)致在L’-L區(qū)間內(nèi)n的下降(vsl不變)，對應(yīng)某個b(y)值將有n＜ND。因此在溝道漏端L’-L處出現(xiàn)靜電偶極層。在L’左側(cè)因電子的積累呈現(xiàn)負(fù)電性，而在L’右側(cè)某處卻因電子的耗盡呈現(xiàn)正電性。靜電偶極層上的漏極壓降將產(chǎn)生強(qiáng)電場，以維持載流子以飽和速度通過。絕緣襯底SGDEEc0LyycL′第55頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)6.高場遷移率的影響絕緣襯底SGDEEc0LyycL′

靜電偶極層的出現(xiàn)將改變溝道上的電位分布，在L’左側(cè)原先溝道最窄處積累的負(fù)電荷使該處柵結(jié)實際所承受的反向偏壓減小，耗盡層收縮變窄，溝道反而有變寬的趨勢。

漏源電壓繼續(xù)升高，柵結(jié)耗盡層寬度的收縮相應(yīng)地向漏端擴(kuò)展，速度飽和臨界點yc向源端移動，速度飽和區(qū)加大，偶極層變厚，偶極層上承受的壓降增加。在短溝道器件中，當(dāng)VDS增大到載流子速度達(dá)到飽和后，繼續(xù)增加的漏源電壓將降落在靜電偶極層上，漏極電流也不再隨VDS的上升而增大。由于速度飽和效應(yīng)使漏極電流提前達(dá)到飽和，輸出特性曲線上的拐點電壓低于夾斷電壓。第56頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)6.高場遷移率的影響對于用GaAs、InP這樣具有微分遷移率區(qū)材料所制作的JFET或MESFET，在某些條件下存在著高場疇。圖6-19所示的數(shù)值分析結(jié)果就是高場疇存在的很好證明。在VDS＝0.5V時最大場強(qiáng)未達(dá)到峰值速度場強(qiáng)(對GaAs為3.2kV/cm)，溝道中電場分布基本均勻；隨著VDS升高，高場疇形成。在疇形成過程中電場分布自動調(diào)整，疇內(nèi)電場顯著增強(qiáng)，疇外電場反而減小。第57頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)6.高場遷移率的影響1.遷移率隨場強(qiáng)上升而減小，導(dǎo)致漏極電流和跨導(dǎo)相對肖克萊模型減小，并隨溝道場強(qiáng)而變化；2.載流子達(dá)到極限漂移速度，使得漏極電流在溝道漏端夾斷之前飽和，跨導(dǎo)趨于常數(shù)；3.溝道漏端形成靜電偶極層，承受漏極電流飽和后增加的漏極電壓，并使溝道漏端不能夾斷。第58頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)7.關(guān)于溝道夾斷和速度飽和的討論在上述討論中，對于長溝道器件把遷移率視為常數(shù)，對于短溝道器件則考慮了遷移率隨電場強(qiáng)度的變化，且以溝道夾斷和速度飽和來區(qū)分二者電流飽和機(jī)制的差別。在長溝道器件中只有在GCA成立的前提下，柵結(jié)勢壘區(qū)的性質(zhì)才能用一維泊松方程描述，勢壘區(qū)上電位差等于Vp0時才恰好把溝道夾斷。第59頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)7.關(guān)于溝道夾斷和速度飽和的討論已經(jīng)證明：在溝道末端約a／2的長度范圍內(nèi)GCA是不成立的；即使一維泊松方程成立，溝道夾斷的結(jié)論也是由耗盡層近似得到的。然而在溝道的殘留深度接近兩個德拜長度(對稱柵結(jié)構(gòu))時用耗盡層近似來確定溝道邊界已不妥當(dāng)。因而前述的溝道夾斷的概念有必要進(jìn)一步探討。事實上：溝道不可能絕對夾斷，否則漏極電流無法通過該區(qū)。第60頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)7.關(guān)于溝道夾斷和速度飽和的討論應(yīng)該這樣理解所謂的溝道夾斷：當(dāng)溝道殘留深度減小到兩個德拜長度時，溝道電流依靠未被完全耗盡的載流子來輸運，隨著VDS的增加，電流通道中載流子濃度減小與漂移速度增加的作用相抵償時。電流達(dá)到飽和，并且最終載流子達(dá)到其飽和漂移速度。所謂溝道夾斷只是指中性導(dǎo)電溝道已不復(fù)存在，并不是說載流子已完全耗盡。第61頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)7.關(guān)于溝道夾斷和速度飽和的討論由此可得如下結(jié)論：不論長溝道還是短溝道器件，在電流飽和區(qū)溝道中的載流子都達(dá)到了飽和漂移速度，其差別在于：前者是首先達(dá)到中性溝道夾斷爾后達(dá)到載流子速度飽和；而后者則在中性溝道夾斷之前載流子已達(dá)速度飽和。從本質(zhì)上講，二者沒有區(qū)別，只是溝道長/深比不同造成的溝道中電場強(qiáng)度不同所致。第62頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)7.關(guān)于溝道夾斷和速度飽和的討論第63頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)7.關(guān)于溝道夾斷和速度飽和的討論第64頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)8.串聯(lián)電阻的影響SGDP+ABRSRDP+ngD-1在前面推導(dǎo)JFET電流-電壓關(guān)系時，曾忽略了源接觸電極與溝道源端之間、漏接觸電極與溝道漏端之間的電壓降(假設(shè)1)。然而，上述部位實際存在著串聯(lián)電阻RS和RD，其影響是不可忽略的。

VGS<0第65頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)8.串聯(lián)電阻的影響隨著RD增加，漏極電流進(jìn)入飽和的速率減慢，VDsat增大,但不影響IDsat，即對小信號放大能力影響不大。這將使FET的功率性能和開關(guān)性能變壞(動態(tài)范圍減小，內(nèi)部功耗增大，導(dǎo)通電阻變大)。I’D/IDSS圖中VGS<0VGS=0第66頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)8.串聯(lián)電阻的影響I’D/IDSS

Rs的影響要比RD嚴(yán)重得多。除漏極電流進(jìn)入飽和的速率減慢，還影響飽和電流IDsat的數(shù)值。

第67頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)8.串聯(lián)電阻的影響SVGS=0第68頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)8.串聯(lián)電阻的影響表觀溝道電導(dǎo)減小

可見，RS的存在使表觀跨導(dǎo)小于本征跨導(dǎo)，其影響程度決定于乘積RSgm?？鐚?dǎo)越高(VGS越小)影響越大。第69頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一柵結(jié)(pn結(jié)或肖特基結(jié))自建電勢差VD的變化溝道電導(dǎo)率σ的變化柵結(jié)勢壘區(qū)載流子產(chǎn)生-復(fù)合率的變化柵結(jié)反偏熱擴(kuò)散電流的變化表面狀態(tài)的變化非良好的源、漏歐姆接觸注入少子電流的變化6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)9.溫度對直流特性的影響——影響IDS——影響IG第70頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)9.溫度對直流特性的影響不隨溫度變化隨溫度變化如圖第71頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)9.溫度對直流特性的影響（6-11）第72頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.2JFET的直流特性與低頻小信號參數(shù)9.溫度對直流特性的影響勢壘產(chǎn)生電流、反向擴(kuò)散電流及表面漏電流都隨溫度升高而增大第73頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.3JFET的交流特性1.交流小信號等效電路2.JFET和MESFET中的電容3.JFET的頻率參數(shù)第74頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.3JFET的交流特性1.交流小信號等效電路第75頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.3JFET的交流特性1.交流小信號等效電路第76頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.3JFET的交流特性2.JFET和MESFET中的電容Cgs和Cgd：Cds：寄生參數(shù),與漏、源電極和漏、源區(qū)尺寸有關(guān)。GSDGSDGSD非飽和區(qū)!飽和區(qū)中與夾斷情況和電極尺寸有關(guān).第77頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.3JFET的交流特性3.JFET的頻率參數(shù)載流子渡越時間截止頻率f0

載流子渡越時間截止頻率是由載流子從源端到漏端所需的渡越時間限定的頻率極限。結(jié)型場效應(yīng)管的頻率響應(yīng)主要受兩個因素制約：一是載流于渡越溝道的時間；二是柵結(jié)(pn結(jié)或肖特基結(jié))的RC時間常數(shù)。用來描述其頻率特性的參數(shù)有載流子渡越時間截止頻率f0，增益帶寬乘積(特征頻率)fT以及最高振蕩頻率fM。第78頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.3JFET的交流特性3.JFET的頻率參數(shù)特征頻率fT定義為本征管的源端S與漏端短路(輸出端短路)時電流放大系數(shù)等于1時所對應(yīng)的頻率。

柵源電容和跨導(dǎo)都隨柵壓變化，在飽和區(qū)和柵壓為VD時，fT最大。輸入電流等于輸出電流第79頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.3JFET的交流特性3.JFET的頻率參數(shù)最高振蕩頻率fM定義為共源組態(tài)下，本征管在輸入、輸出端均共軛匹配，且輸出對輸入的反饋近似為零的條件下，功率增益為1時的極限頻率。

第80頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.4JFET的功率特性結(jié)型場效應(yīng)晶體管的最大輸出功率決定于最大輸出電流、最高耐壓、最高允許結(jié)溫下的最大耗散功率。這些都與雙極型晶體管相同。不同的是不存在二次擊穿限制。這是因為場效應(yīng)器件是多子器件。這一特點使其在制作功率管時具有突出的優(yōu)越性。VDSL為溝道夾斷時漏源間允許施加的最大電壓；VK或VKF稱膝點電壓或拐點電壓；IF為最大輸出電流；Rlm為獲得最大輸出功率的負(fù)載電阻。1.最大輸出功率PMVDSIDSVDsatIFVGS=0VGS=VD0VKIDS第81頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.4JFET的功率特性2.最大輸出電流IF(IDSS)JFET和MESFET的最大輸出電流是溝道源端柵結(jié)空間電荷區(qū)消失時通過溝道的漏極電流。顯然這是在柵結(jié)正偏且正偏電壓值恰好抵消了柵結(jié)內(nèi)建電勢差VD的條件下才能達(dá)到的理論極限值。3.漏源擊穿電壓BVDS硅中、高頻JFET的BVDS主要由柵結(jié)空間電荷區(qū)的雪崩擊穿電壓決定(參見第一章)。微波GaAsMESFET的擊穿機(jī)理尚不十分清楚。可以肯定的原因之一是漏接觸電極附近的電場過強(qiáng)；原因之二是柵電極邊緣處電場過強(qiáng)。第82頁，共98頁，2023年，2月20日，星期一6.4JFET的功率特性3.漏源擊穿電壓BVDS圖6-38提高漏源擊穿電壓的典型結(jié)構(gòu)半絕緣襯底緩沖層n-有源層半絕緣襯底緩沖層n-有源層半絕緣襯底緩沖層n-有源層半絕緣襯底緩沖層n-有源層半絕緣襯底緩沖層n-有源層n+n+半絕緣襯底緩沖層n-有源層普通平面結(jié)構(gòu)埋入n+層結(jié)構(gòu)外加n+層結(jié)構(gòu)厚n+層自對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)凹槽溝道結(jié)構(gòu)凹槽柵結(jié)構(gòu)第83頁，共