半導體器件6第六章jfet

下篇場效應(yīng)晶體管管。它通過改變垂直于導電溝道的電場強度來控制溝道體管的工作電流僅由多數(shù)載流子輸運，故又稱之為“單極型()1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可分為三類結(jié)型柵場效應(yīng)晶體管(縮寫JFTME絕緣柵場效應(yīng)晶體管(縮寫薄膜場效應(yīng)晶體管(縮寫F屬于“2FET具有普通雙極晶體管所具有的特點，如體積小，重量FET是一種電壓控制器件(通過輸入電壓的改變控制輸出電而雙極型晶體管為電流控制器件FET的直流輸入阻抗很高，一般可達109—FET類型多、偏置電壓的極性靈活、動態(tài)范圍大、其各級間可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噪聲低，因而FET特別適合于要求高靈敏度、低噪檢測各種微弱信號的儀器、儀表、醫(yī)療器械等FF3場效

4PAGEPAGE5場效6.5JFET

最大輸出功率漏源擊穿電壓熱阻6.16.1JFETPAGEPAGE6JFET6.16.1JFET1.JFETPAGEPAGE7RRLALqnND2(ax0平衡態(tài)溝道電

（6-BCABCASDaLnG

96.16.1JFET2.JFET6.16.1JFET3.JFETn溝4.MESFET的工作原理和JFET相同，只是用金-半接觸取代了PN做柵將金屬柵極直接做在半導體表面上可以避免表面態(tài)的影響成結(jié)的料，可成效器。一般半導體材料的電子遷移率均大于空穴遷移率，所以高頻效應(yīng)管都采用n型溝道型式GaA與Si相比，電子遷移率大5倍，峰值漂移速度大一倍，所以在GaA材料及其外延和光刻工藝發(fā)展成熟之后，ME很快在高頻領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。它在工作由于JFET與MESFET在電學特性上相仿，而后者又主要用于高范圍。故討論直流特性以JFET為主，交流特性以MESFET為例6.16.1JFET4.

箭頭代表DGDGDGSDSDGGSS短粗線代溝1.理論和JFET的直流特(Shockley)1952年關(guān)于JFET的理論至今仍是分JFE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(如果認為溝道無限寬)，方程求解非常復雜，緩變溝道近似模型很好地簡化了該模型的基本點是①假定溝道中電場、電位和電流(即沿溝道方向緩慢變化②認為漏極電流飽和是由于溝道特單例觸特單例觸1.為了分析簡忽略源間的忽略溝道有分量p+柵區(qū)與NA>>ND，即柵結(jié)柵結(jié)耗盡區(qū)中沿垂直結(jié)平面方向的電場分量Ex與沿溝道度方向使載流子漂移的電場分量E無關(guān)，且滿

Ex

此即變溝道近似(GCA)；（溝道電荷密度遠小于耗盡層電荷密度理論和JFETaxyaxynn n 20(VDVn 20(VDVmmnV(nV(y)qN x2(t00 dVt(y)qNDdxn(y) 0

DDxn(

(1-(6-(6-當溝道中不存在載流子濃度梯度時 x

A(y)2[ah(aI(y)2Wq [ah(y)]V(a n

I(y)dy2Wq [ah(y)]V(y)J(y)J(y)(y)EnnyI(y)A(y)qn 2 V(12h(y) n

(6-xnhxnh1y0;xnh2yL

積分，并dVdVt(y)qNDdx(x(nn0I(y)dy2Wq [ah(y)]V(y)n nnIDG0 20 D 32VD2D 2aWq 0Lhh(0)2 1 )Dh2h(L)20(VDVGS)1D22 V(12h(y) 理論和JFETD 2a3Wnq2ND

1

60[13(VD

a )

VGS)32

Vp0

Vp0

2a3Wnq2ND60D

VGS=VDVpVGS=VD

a

（6-13）代表飽和區(qū)的電流電壓（6-14）IDSS稱為最大飽和漏極電（6-15）Vp0稱為本征

時柵結(jié)上的Vp0=VD-JFET溝道厚度因柵p+-n結(jié)耗盡層厚度擴展而變薄，當結(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稱為閾電壓

JFET的夾斷電壓，記為V 2 V0DpnmqN1DVp0VD qNaNa越大Vp的絕對值夾斷電壓

Vp0=VD-Vp表示整個溝道由柵源電壓夾斷時，柵n結(jié)上的電壓降，為區(qū)別起見，稱為本征夾斷電壓JFET

VGS=VD時的漏極電流，又稱最源飽和電D 2a3Wnq2ND

3 1

60 [1

a )

)32

Vp0

Vp02a3Wq2N

Da2 2aWqnNDIDSS

60

I

G0

2aWqnND

IDSS

Vp0L aL a qnND1JFETII2aW 2aWq3 InD60IDSS2JFET器件的耗散功率，所以在功率JFET中應(yīng)設(shè)法減小Rmin、RSIIISkTR)1(IG)1 gGq(I IGS2JFET柵源截止電流IGSS和柵源輸入電阻柵極截止電是pn結(jié)(或 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JFE，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。此時柵溝道統(tǒng)：輸入電結(jié)型場效應(yīng)晶體管有較高的輸入壓及輻照等因素有關(guān)2JFET在功率器件中，由于漏源電壓很高，在溝道中形夠高的能量去碰撞電離產(chǎn)生新的電子-空穴對，新產(chǎn)特S，以特S，以S2JFET向電壓增表示在D

0

VDS

0

0

輸出功率 JFET最大輸出功率Po正比于器件所容許的最大漏極電流IDmax和器件所能承的最高漏源峰值電壓(BVDS-VDsat)PoIDmax(BVDSVDsat因 區(qū)、熱阻等限

IDmax可見，對一個性能良好的功率器件，要求其電流容量大、擊在最高工作電流下跨導跨導是場效應(yīng)晶體管的一個重要參數(shù)，它表跨導極電壓對漏極電流的控制跨導定義為漏源電壓VDS一定時，漏極電流的增量與柵極電壓的微分增量之比ggmVDS 20

3IDG0VDS

qN

VDVGS2（6-其中，G0

2aWqnNDL3JFET非飽和區(qū)ggmW111L(20qND)2[(VDSVDVGS)2(VDVGS)21Vp111gmG0)2[(VDSVDVGS)2(VDVGS)2以以Vp0VDVGS代入，得飽和區(qū)跨V非飽和區(qū)跨導與VGS、VDS飽和區(qū)跨導僅與VGSVVgmsG0[1( GS)21 3JFET飽和區(qū)跨導隨柵壓幅度減小而增大，當VGS=VD時達到最大值G0跨導的單位是西門子S(1S＝1A/V)器件的跨導與溝道的寬長比WL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就不能地減小，一般控制L為5至10m左右為了增大器件的跨導，往往采用多個單元器件并聯(lián)的辦法來擴非飽和區(qū)跨導隨柵電壓VGS和漏電壓VDS而變化，當VDS=VDsat時，跨導達最大JFETPN+源漏圖6-10大跨導JFET圖形結(jié)構(gòu)(多溝道并聯(lián)漏極電導表示漏極電流隨漏源電壓的變化漏極電導gd

VW

gd

(20qND)2[VL

在漏極電壓VDS很小，即VDS0時，得到線性區(qū)的漏極 qND qND2 )

G0[1 GS)2]V V 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勻分布的，如擴散溝道、離子注入溝道等。即使是薄外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能(如微波噪聲性能，線性等)。因此非均前面所討論的都是把JFT的兩個柵區(qū)短接在一起做三端器JFETMF，圖6-14所示為一作四極管應(yīng)用的。柵1和柵2雜質(zhì)濃度不等，分別為NA1和N2，溝道雜質(zhì)均勻分布，且NA1、N2ND。和柵的夾斷電壓和55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，是直線關(guān)系。這種線性的控制特性是令人感的，它提供了JFET的新6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，這個條的漏源電壓下，溝道中的平均場強也可達于此值。短溝道器件中的這種溝道強電場將使器件的特性偏離模型的結(jié)論。6遷移率隨場強上升而減小，導致漏極電流和跨導相對模型減小，并隨溝道場強而變化；載流子達到極限漂移速度，使得漏極電流在溝溝道漏端形成靜電偶極層，承受漏極電流飽和6

sl66 c 1(EEc 0

203 3

VDVGS

32其中，G0

qND 2aWqnNDL

IIDVDSL220VD 32VD32DLID1 LEc66小，導致漏極電流降至低場值的(1+VDS/LEc)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)下I'I 1

LE E

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)的歐姆接觸及勢壘結(jié)而成一硅短下溝道厚度一定，呈現(xiàn)一定電阻值，此時溝道中電場也較小，IDS隨VDS線強。當外加電壓大到使溝道中yc點以 yc

0~

:vn

;

~L:vyc~L段對應(yīng)溝道電流IDqND(ah2 E yc

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到飽和值，輸出特性曲線則在更靠近坐標原y點處提前拐彎6速度飽和時的漏極電流ID2WqND(ah2vsl對VGS 2Wq

20 WCGSvsl CGSvslVDCh[20

VGSVDS)]12

表示某一固定柵壓（V表示某一固定柵壓（VGS-VDS）下對應(yīng)h2厚度

qNDE

L′ 6 E

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，并使溝漏極電IDqn(y)v(y)W[ah(qn(y)v(y)b(y)其中，byah在長溝器件中(E<Ec)，由源端到漏端溝

L′

y 在短溝道器件中，當VDS使yc-LE>Ec時，載流子速度不再隨電場而增加， E L′

只有改變載流子密度來補償溝道的以維持電流的連續(xù)性在yc-L區(qū)間內(nèi)將有n＞ND。但由于溝而在L’右側(cè)某處卻因電子的耗盡呈 性。靜電偶極層上的漏極壓降將產(chǎn)生強場，以維持載流子以飽和速度通過6

分布，在L’左側(cè)原先溝道最窄處積累的負電荷使該處柵結(jié)實際所承受的反向偏壓減小，漏源電壓繼續(xù)升高，柵結(jié)耗盡層寬度的收縮相應(yīng)地向漏端擴展，速度飽和臨界點ycE在短溝道器件中，當

L′

升而增大。由于速度飽和效應(yīng)使漏極電流提y6

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某些條件下存在著就是高場疇存在的很好證明。在VDS＝0.5V時最大場強未達到峰值速度場強(對GaAs為3.2kV/cm)，溝道中電場分布基本均勻；隨著VDS升，疇外電場反而減小遷移率隨場強上升而減小，導致漏極電流和導相 模型減小，并隨溝道場強而變化載流子達到極限漂移速度，使得漏極電流在溝道漏端夾斷之前飽和，跨導趨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)分二者電流飽和機制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7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。因而前述的溝道夾斷的概念有必要進一步探討。事實上：溝道不可能絕對7應(yīng)該這樣理解所謂的溝道夾斷：當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子濃度減小與漂移速度增加的作用相抵償時。電流所謂溝道夾斷只是指中性導電溝道已不復存在，并LD

;

20(VDV)

kTlnNAq20

7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到了飽和漂移速度，其差別在于：前者是首先達到中性溝道夾斷爾后達到載流子速度飽和；而后者則在中性溝道夾斷之前載流子已達速度飽和。從本質(zhì)上講，二者沒有 -B

DgAn面推導JFET電流-電壓道漏端之間的電壓降(假設(shè)1)。電阻RS和RD影響是不DgAnVV RDSDVGAVGSID8隨著RD增加，漏極電流進入飽和的速率減慢，VDsat增大,但不影響IDsat，即對小信號放大能這將使FET的功率性圍減小，內(nèi)部功耗增大，VV )VGAVGSIDG圖中R0G08RD多。除漏極電流進入飽和的速率減慢，還影響飽和RDVV

ID

VGSIDSS

11Rg 表觀溝g'gS 1S

減)gd由于VGSVGAIDg

dID/

1R /

1R 跨導，其影響程度決定于乘積RSgm。跨99柵結(jié)(pn結(jié)或結(jié))自建電勢差VD的變

——影響——影響Vp0

qNa2 2aW2aWq3 n60DVDkTVDkTlnNAqin2kT3eEgi GD0 20 qNDVD 32VD2G2aWq 0LVDIVGSgm及IDIDIDnID nDID mn1(VD)[1I](VD]勢壘產(chǎn)生電流、反向擴散電流表面漏電流都隨溫度升高而增6.3JFET交流小信號等效電JFET和MESFET中的JFET的頻6.36.3JFET1

VGSiDID

d iD

Q

Q(uGSVGS)

Q

VGS)IDgmugs g g gd uRIG

dQ(t) igdC igC C gd R6.36.3JFET2JFET和MESFETCgs

102

CgdG

102CgsCgd

VDSVGS

Cg

0W

D非飽和區(qū)飽和區(qū)中與夾斷情況和電極尺寸有關(guān)Cds：寄生參數(shù),與漏、源電極和漏、源區(qū)尺寸有關(guān)3JFET越溝道的時間；二是柵結(jié)(pn結(jié)或結(jié))的RC時間常數(shù)

2fTCgsugsgm 柵源電容和跨導都隨柵壓變化，在飽和區(qū)和柵壓為VD時，fT1時的極限 (Rgs (RgsRS1)最大輸出功率 (VL

VDSL為溝道夾斷時漏源間允許施加的

VK或VKFIF最大輸出電流漏源擊穿電壓硅中、高頻JFET的BVDS主要由柵結(jié)空間電荷區(qū)的雪崩擊穿微波GaAsMESFET的擊穿機理尚不十分清楚?？梢钥隙ǖ脑?.46.4JFET3.漏源擊穿電壓普通平面結(jié) 埋入n+層結(jié) 外加n厚n+層自對準結(jié) 凹槽溝道結(jié) 凹