半導(dǎo)體器件原理 第六章

1、第六章：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管第六章：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管Junction Field Effect Transistor（JFET）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管通過通過改變垂直于導(dǎo)電溝道的電場(chǎng)強(qiáng)度改變垂直于導(dǎo)電溝道的電場(chǎng)強(qiáng)度來控制來控制溝道的導(dǎo)溝道的導(dǎo)電能力電能力，從而調(diào)制通過溝道的電流。由于場(chǎng)效應(yīng)晶體，從而調(diào)制通過溝道的電流。由于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作電流僅由多數(shù)載流子輸運(yùn)，故又稱之為管的工作電流僅由多數(shù)載流子輸運(yùn)，故又稱之為“單單極型極型( (場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)) )晶體管晶體管”。JFET可分為兩類：可分為兩類：Pn結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（pn JFET），），pn結(jié)制成；結(jié)制成；金屬金屬-半

2、導(dǎo)體結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（半導(dǎo)體結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET），肖特基），肖特基勢(shì)壘整流接觸結(jié)制成。勢(shì)壘整流接觸結(jié)制成。第六章：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管第六章：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管6.1 JFET概念內(nèi)容JFET基本概念場(chǎng)效應(yīng)現(xiàn)象場(chǎng)效應(yīng)現(xiàn)象20世紀(jì)世紀(jì)20年代和年代和30年年代被發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)記載如圖所示的代被發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)記載如圖所示的晶體管結(jié)構(gòu)，是第一個(gè)被提出來晶體管結(jié)構(gòu)，是第一個(gè)被提出來的固態(tài)晶體管。的固態(tài)晶體管?；舅悸罚杭釉诮饘侔迳系碾妷夯舅悸罚杭釉诮饘侔迳系碾妷赫{(diào)制（影響）下面半導(dǎo)體的電調(diào)制（影響）下面半導(dǎo)體的電導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)AB兩端的電流控兩端的電流控制。制。場(chǎng)效應(yīng)：半導(dǎo)體電導(dǎo)被垂直于半場(chǎng)

3、效應(yīng)：半導(dǎo)體電導(dǎo)被垂直于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)調(diào)制的現(xiàn)象。導(dǎo)體表面的電場(chǎng)調(diào)制的現(xiàn)象。特點(diǎn)：多子器件，單極型晶體管特點(diǎn)：多子器件，單極型晶體管1952年，年，Shockley首次提出并分析了結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體首次提出并分析了結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。管。在在JFET中所加的柵電壓改變了中所加的柵電壓改變了pn結(jié)耗盡層寬度，耗結(jié)耗盡層寬度，耗盡層寬度的變化反過來調(diào)節(jié)源、漏歐姆接觸之間的盡層寬度的變化反過來調(diào)節(jié)源、漏歐姆接觸之間的電導(dǎo)。電導(dǎo)。N溝溝JFET中，多數(shù)載流子中，多數(shù)載流子電子電子起主要導(dǎo)電作用；起主要導(dǎo)電作用；P溝溝JFET中，多數(shù)載流子中，多數(shù)載流子空穴空穴起主要導(dǎo)電作用；起主要導(dǎo)電作用；空穴的遷移率比

4、電子的遷移率小，所以空穴的遷移率比電子的遷移率小，所以p-JFET的工的工作頻率比作頻率比n-JFET的工作頻率低。的工作頻率低。6.1.1 pn-JFET基本工作原理基本工作原理 G柵極（基極）柵極（基極）S源極（發(fā)射極）源極（發(fā)射極）D漏極（集電極）漏極（集電極）在在N型半導(dǎo)體硅型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造片的兩側(cè)各制造一個(gè)一個(gè)PN結(jié)，形結(jié)，形成兩個(gè)成兩個(gè)PN結(jié)夾結(jié)夾著一個(gè)著一個(gè)N型溝道型溝道的結(jié)構(gòu)。的結(jié)構(gòu)。P區(qū)即區(qū)即為柵極，為柵極，N型硅型硅的一端是漏極，的一端是漏極，另一端是源極。另一端是源極。6.1.1 pn-JFET基本工作原理基本工作原理 JFETJFET的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)JFET

5、JFET的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)(n(n溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管）溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管）6.1.1 pn-JFET基本工作原理 漏源漏源I-V特性定性分析特性定性分析 對(duì)稱對(duì)稱n溝溝pn結(jié)結(jié)JFET的橫截面的橫截面圖圖漏源電壓在溝道漏源電壓在溝道區(qū)產(chǎn)生電場(chǎng)，使區(qū)產(chǎn)生電場(chǎng)，使多子從源極流向多子從源極流向漏極。漏極。6.1.1 pn-JFET基本工作原理 與MOSFET比較 ID的形成的形成：（：（n溝耗盡型）溝耗盡型）如果源極接地，并在漏極加上一個(gè)小的正電壓，則在漏源之如果源極接地，并在漏極加上一個(gè)小的正電壓，則在漏源之間就產(chǎn)生了一個(gè)漏電流間就產(chǎn)生了一個(gè)漏電流ID。 對(duì)稱對(duì)稱n溝溝pn結(jié)結(jié)JFET的橫截面的橫截

6、面厚度幾厚度幾十十幾微米幾微米兩邊夾兩邊夾結(jié)型結(jié)型:大于大于107，絕緣柵，絕緣柵:1091015。為分析為分析JFET的基本工作原理，首先假設(shè)的基本工作原理，首先假設(shè)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的偏置條件。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的偏置條件。VG0：pn結(jié)是零結(jié)是零偏或反偏。偏或反偏。VD0：確保：確保n區(qū)電子從源端流向漏端。區(qū)電子從源端流向漏端。通過系統(tǒng)改變電壓來分析器件內(nèi)發(fā)生的變通過系統(tǒng)改變電壓來分析器件內(nèi)發(fā)生的變化?；?。6.1.1 pn-JFET 溝道隨溝道隨VGS變化情況變化情況 (VDS很小時(shí)很小時(shí))ID-VDS特性曲線隨特性曲線隨VGS的變化會(huì)有什么變化？的變化會(huì)有什么變化？（1）VGS=0，頂部和底部的，頂部和底

7、部的p+n結(jié)處于熱平衡，溝道寬度結(jié)處于熱平衡，溝道寬度最寬，漏端加一個(gè)小的最寬，漏端加一個(gè)小的VDS，就形成漏電流。，就形成漏電流。柵極加負(fù)偏柵極加負(fù)偏壓壓VGSVDsat后，隨后，隨VD的增加，的增加，ID基本保持不變，基本保持不變，達(dá)到飽和達(dá)到飽和JFET工作原理工作原理6.1.1 pn-JFET 漏源漏源I-V特性定性分析特性定性分析1、 VGS =0的情況：的情況：注：注：a.柵結(jié)柵結(jié)p+n結(jié)近似單邊突變結(jié)。結(jié)近似單邊突變結(jié)。 b.溝道溝道區(qū)假定為均勻摻雜區(qū)假定為均勻摻雜 。（1）器件偏置特點(diǎn)）器件偏置特點(diǎn) VDS =0時(shí)時(shí) 柵結(jié)只存在平衡時(shí)的耗盡層?xùn)沤Y(jié)只存在平衡時(shí)的耗盡層 沿溝長(zhǎng)方向

8、溝道橫截面積相同沿溝長(zhǎng)方向溝道橫截面積相同 VDS0 漏端附近的耗盡層厚度漏端附近的耗盡層厚度,向溝向溝道區(qū)擴(kuò)展，沿溝長(zhǎng)方向溝道橫道區(qū)擴(kuò)展，沿溝長(zhǎng)方向溝道橫截面積不同截面積不同, 漏端截面漏端截面A最小。最小。（2） IDVDS關(guān)系關(guān)系 VDS較?。狠^?。篤DS增大：增大：VDS較大：較大：增加到增加到正好使漏正好使漏端處溝道橫截面端處溝道橫截面積積 =0夾斷點(diǎn)：夾斷點(diǎn)：溝道橫溝道橫截面積正好截面積正好=0線性區(qū)線性區(qū)過渡區(qū)過渡區(qū)6.1.1pn-JFET 漏源I-V特性定性分析不斷增大漏電壓，直到靠近漏端附近的頂部和底部的耗盡不斷增大漏電壓，直到靠近漏端附近的頂部和底部的耗盡區(qū)最終連接到一起，

9、此時(shí)溝道完全耗盡，這一條件稱為區(qū)最終連接到一起，此時(shí)溝道完全耗盡，這一條件稱為“夾斷夾斷”，所對(duì)應(yīng)的漏電壓稱為，所對(duì)應(yīng)的漏電壓稱為“夾斷電壓夾斷電壓”。飽和區(qū)：飽和區(qū)：（ VDS 在溝道夾斷基礎(chǔ)上增加）在溝道夾斷基礎(chǔ)上增加）ID存在，且仍由導(dǎo)電溝道區(qū)電特性決定存在，且仍由導(dǎo)電溝道區(qū)電特性決定6.1.1pn-JFET 漏源漏源I-V特性定性分析特性定性分析擊穿區(qū)：擊穿區(qū)：（VDS大到漏柵結(jié)的雪崩擊穿電壓大到漏柵結(jié)的雪崩擊穿電壓 ）6.1.1pn-JFET 漏源漏源I-V特性定性分析特性定性分析2、 ：（1）器件偏置特點(diǎn)（）器件偏置特點(diǎn)（VDS=0）零偏柵壓零偏柵壓小反偏柵壓小反偏柵壓VGS0 漏

10、（源）柵結(jié)已經(jīng)反偏漏（源）柵結(jié)已經(jīng)反偏 ； 耗盡層厚度大于耗盡層厚度大于VGS =0的情況；的情況； 有效溝道電阻增加。有效溝道電阻增加。6.1.1pn-JFET 漏源漏源I-V特性定性分析特性定性分析（2） 關(guān)系關(guān)系 特點(diǎn)：特點(diǎn)：a. 電流隨電壓變化趨勢(shì)，基本過程相同，電流隨電壓變化趨勢(shì)，基本過程相同， b. 電流相對(duì)值減小。電流相對(duì)值減小。 c. 夾斷電壓變小，夾斷電壓變小，VDS(sat: VGS0)VDS(sat: VGS=0) d. 擊穿電壓變小，擊穿電壓變小，BVDS(sat: VGS0)BVDS (sat:VGS=0) DSVDI6.1.1pn-JFET 漏源漏源I-V特性定性分

11、析特性定性分析3、 = 使上下耗盡層將溝道區(qū)填滿，使上下耗盡層將溝道區(qū)填滿， 溝道從源到漏溝道從源到漏 徹底夾斷，徹底夾斷， 0 ，器件截止。，器件截止。GSVGSVPVDIGSV結(jié)論：柵結(jié)反偏壓可改變耗盡層大小，從而控制漏電流大小。結(jié)論：柵結(jié)反偏壓可改變耗盡層大小，從而控制漏電流大小。6.1.1pn-JFET 漏源漏源I-V特性定性分析特性定性分析N溝耗盡型溝耗盡型JFET的輸出特性：的輸出特性：非飽和區(qū)：非飽和區(qū)：漏電流同時(shí)決定于柵源電壓漏電流同時(shí)決定于柵源電壓和漏源電壓和漏源電壓飽和區(qū)：飽和區(qū)：漏電流與漏源電壓無關(guān)，只漏電流與漏源電壓無關(guān)，只決定于柵源電壓決定于柵源電壓MESFET（Me

12、tal-Semiconductor FET）是一種由）是一種由Schottky勢(shì)壘柵極勢(shì)壘柵極構(gòu)成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，適用于高頻構(gòu)成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，適用于高頻應(yīng)用，如工作頻率超過應(yīng)用，如工作頻率超過5GHz的放大器和振蕩電路的放大器和振蕩電路中。可以作為分立器件，也可以做成集成芯片，中?？梢宰鳛榉至⑵骷?，也可以做成集成芯片，GaAs-MESFET是微波集成電路的核心。是微波集成電路的核心。6.1.2 MESFET的基本工作原理肖特基勢(shì)壘代替肖特基勢(shì)壘代替PN結(jié)結(jié)耗盡型：加負(fù)壓耗盡層擴(kuò)展到夾斷（正壓情況不行）耗盡型：加負(fù)壓耗盡層擴(kuò)展到夾斷（正壓情況不行）耗盡型：耗盡型：當(dāng)在柵源極之間加一個(gè)反偏當(dāng)在柵

13、源極之間加一個(gè)反偏電壓時(shí)，金屬柵極下面產(chǎn)生電壓時(shí)，金屬柵極下面產(chǎn)生一個(gè)空間電荷區(qū)，用以調(diào)制一個(gè)空間電荷區(qū)，用以調(diào)制溝道電導(dǎo)。如果所加負(fù)壓足溝道電導(dǎo)。如果所加負(fù)壓足夠大，空間電荷區(qū)就擴(kuò)散到夠大，空間電荷區(qū)就擴(kuò)散到襯底，這種情況稱為夾斷。襯底，這種情況稱為夾斷。6.1.2 MESFET的基本工作原理如果把如果把半絕緣襯底半絕緣襯底用用本征材料本征材料，其能帶如圖所示。因?yàn)?，其能帶如圖所示。因?yàn)樵跍系琅c襯底之間，溝道與金屬柵之間存在勢(shì)壘，電子在溝道與襯底之間，溝道與金屬柵之間存在勢(shì)壘，電子將被束縛在溝道中。將被束縛在溝道中。6.1.2 MESFET的基本工作原理MESFET分為耗盡型（分為耗盡型（D

14、- MESFET）和增強(qiáng)型（）和增強(qiáng)型（E- MESFET）增強(qiáng)型：電壓擺幅小，因?yàn)樗诱龎翰荒芴?，增?qiáng)型：電壓擺幅小，因?yàn)樗诱龎翰荒芴?，否則從電流從柵極走掉了否則從電流從柵極走掉了第六章：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管第六章：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管6.1 JFET概念概念6.2 器件的特性器件的特性6.3 非理想因素非理想因素6.4 等效電路和頻率限制等效電路和頻率限制6.5 高電子遷移率晶體管高電子遷移率晶體管6.2 器件的特性6.2.1 內(nèi)建夾斷電壓、夾斷電壓和漏源飽內(nèi)建夾斷電壓、夾斷電壓和漏源飽和電壓和電壓u討論討論JFET基本電學(xué)特性之前，先分析基本電學(xué)特性之前，先分析均勻摻雜耗盡均勻摻雜耗盡型型

15、pn JFET，再討論，再討論增強(qiáng)型增強(qiáng)型。u先推導(dǎo)理想單邊器件的先推導(dǎo)理想單邊器件的I-V關(guān)系，關(guān)系，ID1表示其電流表示其電流,u雙邊器件可簡(jiǎn)單地認(rèn)為是兩個(gè)雙邊器件可簡(jiǎn)單地認(rèn)為是兩個(gè)JFET的并聯(lián)，的并聯(lián)，ID2=2ID1u忽略單邊器件襯底處的耗盡層。忽略單邊器件襯底處的耗盡層。6.2.1 內(nèi)建夾斷電壓、夾斷電壓和漏源飽內(nèi)建夾斷電壓、夾斷電壓和漏源飽和電壓和電壓VGSVGS6.2.1 內(nèi)建夾斷電壓、夾斷電壓和漏源飽和電壓內(nèi)建夾斷電壓、夾斷電壓和漏源飽和電壓biPopbisdpodpospodGSbisnVVaeNVeNVanpaheNVVhVVJFETVV22V,)(2POP22121 此

16、此，夾夾斷斷電電壓壓是是負(fù)負(fù)值值，因因溝溝耗耗盡盡型型）稱稱為為夾夾斷斷電電壓壓（閾閾電電壓壓柵柵源源電電壓壓把把形形成成溝溝道道夾夾斷斷所所加加的的表表示示用用斷斷電電壓壓，結(jié)結(jié)的的總總電電勢(shì)勢(shì)稱稱為為內(nèi)內(nèi)建建夾夾在在閾閾值值點(diǎn)點(diǎn)，空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)寬寬度度為為： 內(nèi)建夾斷電壓、夾斷電壓和漏源飽和電壓內(nèi)建夾斷電壓、夾斷電壓和漏源飽和電壓，夾夾斷斷電電壓壓是是正正值值。溝溝耗耗盡盡型型或或（閾閾電電壓壓）柵柵源源電電壓壓稱稱為為夾夾斷斷電電壓壓把把形形成成溝溝道道夾夾斷斷所所加加的的表表示示用用斷斷電電壓壓，結(jié)結(jié)的的總總電電勢(shì)勢(shì)稱稱為為內(nèi)內(nèi)建建夾夾在在閾閾值值點(diǎn)點(diǎn)，溝溝對(duì)對(duì)于于JFETVVV

17、VV22V,)(2JFETPOPP22121PVVaeNVeNVapnaheNVVhpbiPopbisapoapospoaGSbis 6.2.1 內(nèi)建夾斷電壓、夾斷電壓和漏源飽和電壓內(nèi)建夾斷電壓、夾斷電壓和漏源飽和電壓分析柵極和漏極同時(shí)加電壓的情況：分析柵極和漏極同時(shí)加電壓的情況： 由于漏端電壓的作用，溝道中不同位置的電壓由于漏端電壓的作用，溝道中不同位置的電壓不同，所以耗盡層的寬度隨溝道中的位置而不不同，所以耗盡層的寬度隨溝道中的位置而不同。同。內(nèi)建夾斷電壓、夾斷電壓和漏源飽和電壓內(nèi)建夾斷電壓、夾斷電壓和漏源飽和電壓N溝溝pn JFET器件的基本幾何結(jié)構(gòu)圖器件的基本幾何結(jié)構(gòu)圖柵極和漏極同時(shí)加

18、上電壓柵極和漏極同時(shí)加上電壓：耗盡層的寬度隨在溝道中的耗盡層的寬度隨在溝道中的位置不同而不同位置不同而不同內(nèi)建夾斷電壓、夾斷電壓和漏源飽和電壓內(nèi)建夾斷電壓、夾斷電壓和漏源飽和電壓)()(,VV)()(2)(V)(V(2)VV(2(2PGS221DSDS221DS2211GSbiPODSGSbiPODSPOsdGSDSbidGSbisdGSbisdGSbisVVVsatVJFETpVVVsatVVNeaVsatVeNVsatVasataheNVVheNVVh 則則有有：溝溝對(duì)對(duì)于于時(shí)時(shí)，此此式式將將失失去去意意義義當(dāng)當(dāng)也也可可表表示示為為：表表示示（這這時(shí)時(shí)對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)的的漏漏源源電電壓壓用用生生，

19、時(shí)時(shí)，溝溝道道夾夾斷斷在在漏漏端端發(fā)發(fā)當(dāng)當(dāng)漏漏端端的的耗耗盡盡層層寬寬的的：源源端端的的耗耗盡盡層層寬寬的的： 理論計(jì)算得到的理論計(jì)算得到的ID-VD曲線曲線實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)測(cè)得的ID-VD曲線曲線理想飽和漏電流與漏極電壓無理想飽和漏電流與漏極電壓無關(guān)關(guān)6.2.3 跨導(dǎo)跨導(dǎo)溝道互導(dǎo)溝道互導(dǎo)溝道電導(dǎo)溝道電導(dǎo)DGVGDmVDDdVIgVIg 跨導(dǎo)是場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一個(gè)重要參數(shù)，它表示柵跨導(dǎo)是場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一個(gè)重要參數(shù)，它表示柵極電壓對(duì)漏極電流的控制能力。極電壓對(duì)漏極電流的控制能力。 跨導(dǎo)定義為跨導(dǎo)定義為漏源電壓漏源電壓V VDSDS一定時(shí)，漏極電流的微一定時(shí)，漏極電流的微分增量與柵極電壓的微分增量之比

20、。分增量與柵極電壓的微分增量之比。非飽和區(qū)非飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)6.2.4 MESFETMESFET除了除了pn結(jié)被肖特基勢(shì)壘結(jié)被肖特基勢(shì)壘整流接觸結(jié)代替外，整流接觸結(jié)代替外，其他均與其他均與pn JFET相同。相同。MESFET通常用通常用GaAs制造。制造。增強(qiáng)型增強(qiáng)型JFET實(shí)驗(yàn)和理論的平方根與實(shí)驗(yàn)和理論的平方根與VGS的理的理想關(guān)系曲線想關(guān)系曲線理想曲線和電壓軸相交的一理想曲線和電壓軸相交的一點(diǎn)值是點(diǎn)值是閾值電壓閾值電壓。理想下的理想下的I-V關(guān)系是在假定關(guān)系是在假定pn結(jié)耗盡層突變近似的情結(jié)耗盡層突變近似的情況下推導(dǎo)出來的。況下推導(dǎo)出來的。JFET和和MOSFET的主要共同點(diǎn)和差異的主

21、要共同點(diǎn)和差異JFET與與MOSFET都是場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它們的主要都是場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它們的主要共同點(diǎn)在于：共同點(diǎn)在于：（1）是）是多數(shù)載流子工作多數(shù)載流子工作的器件，則不存在因?yàn)樯俚钠骷?，則不存在因?yàn)樯贁?shù)載流子所引起的一些問題（如溫度穩(wěn)定性較數(shù)載流子所引起的一些問題（如溫度穩(wěn)定性較好）。好）。（2）輸入阻抗都很高輸入阻抗都很高，并且都是電壓驅(qū)動(dòng)的器，并且都是電壓驅(qū)動(dòng)的器件，則工作時(shí)不需要輸入電流，而且輸入回路較為件，則工作時(shí)不需要輸入電流，而且輸入回路較為簡(jiǎn)單。簡(jiǎn)單。（3）轉(zhuǎn)移特性都是拋物線關(guān)系轉(zhuǎn)移特性都是拋物線關(guān)系，則不存在，則不存在3次交擾次交擾調(diào)制噪聲。調(diào)制噪聲。 JFET與與MOSFE

22、T由于器件結(jié)構(gòu)不同，特性存在差異：由于器件結(jié)構(gòu)不同，特性存在差異：（1）MOSFET的的輸入阻抗輸入阻抗更加高于更加高于JFET。（2）MOSFET對(duì)于對(duì)于靜電放電（靜電放電（ESD）的抵抗能力較差）的抵抗能力較差，因此在因此在MOSFET的輸入端往往需要設(shè)置防止的輸入端往往需要設(shè)置防止ESD破壞的破壞的二極管等元器件。二極管等元器件。（3）JFET一般是耗盡型的器件，而一般是耗盡型的器件，而MOSFET可以有增可以有增強(qiáng)型器件。因此，在使用時(shí)，強(qiáng)型器件。因此，在使用時(shí)，JFET的柵極只能外加反向的柵極只能外加反向電壓，對(duì)于正向的輸入電壓則不能正常工作。電壓，對(duì)于正向的輸入電壓則不能正常工作。

23、MOSFET由于既有耗盡型、也有增強(qiáng)型，則輸入電壓信號(hào)較大時(shí)由于既有耗盡型、也有增強(qiáng)型，則輸入電壓信號(hào)較大時(shí)也能夠正常工作。也能夠正常工作。（4）JFET的的噪聲性能噪聲性能優(yōu)于優(yōu)于MOSFET。因?yàn)椤Ｒ驗(yàn)镴FET的溝道的溝道是在體內(nèi)，則不存在是在體內(nèi)，則不存在MOSFET那樣的由于表面或界面所那樣的由于表面或界面所引起的引起的1/f噪聲。所以噪聲。所以JFET的低頻噪聲很小。的低頻噪聲很小。6.3 非理想效應(yīng)非理想效應(yīng)*p 同其他器件一樣，同其他器件一樣，JFET存在使器件發(fā)生改變的非理想存在使器件發(fā)生改變的非理想因素。因素。p 前面我們分析的是具有前面我們分析的是具有恒定溝道長(zhǎng)度恒定溝道長(zhǎng)

24、度和和恒定遷移率恒定遷移率的的理想晶體管，忽略了柵電流的影響。理想晶體管，忽略了柵電流的影響。p 當(dāng)當(dāng)JFET處于飽和區(qū)時(shí)，有效的電場(chǎng)溝道長(zhǎng)度是處于飽和區(qū)時(shí)，有效的電場(chǎng)溝道長(zhǎng)度是VDS的的函數(shù)，這種非理性因素稱為函數(shù)，這種非理性因素稱為溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)。p 此外，當(dāng)晶體管處于飽和區(qū)及其附近時(shí)，溝道中的電此外，當(dāng)晶體管處于飽和區(qū)及其附近時(shí)，溝道中的電場(chǎng)強(qiáng)度能變得足夠大，使多數(shù)載流子達(dá)到場(chǎng)強(qiáng)度能變得足夠大，使多數(shù)載流子達(dá)到飽和速率飽和速率。遷移率不再是常數(shù)。遷移率不再是常數(shù)。柵電流柵電流的數(shù)量級(jí)將影響到輸入阻的數(shù)量級(jí)將影響到輸入阻抗?？?。L21-L1I21L1I.DD 實(shí)實(shí)際際器器

25、件件：變變化化的的。實(shí)實(shí)際際有有效效溝溝道道長(zhǎng)長(zhǎng)度度是是有有理理想想情情況況：成成反反比比漏漏電電流流與與給給定定溝溝道道長(zhǎng)長(zhǎng)度度假假定定溝溝道道長(zhǎng)長(zhǎng)度度是是常常數(shù)數(shù)，LLL6.3.1 溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)6.3.2 飽和速度影響飽和速度影響 硅中載流子的漂移速度隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的硅中載流子的漂移速度隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而達(dá)到飽和，這個(gè)飽和速度的影響表示增加而達(dá)到飽和，這個(gè)飽和速度的影響表示遷移率不是一個(gè)常數(shù)遷移率不是一個(gè)常數(shù)。 對(duì)于短溝道對(duì)于短溝道JFET和和MESFET，前面假設(shè)載流，前面假設(shè)載流子的遷移率是常數(shù)就變的不可靠了。因?yàn)樽拥倪w移率是常數(shù)就變的不可靠了。因?yàn)槎潭虦系罆r(shí)溝道時(shí)

26、，溝道內(nèi)的電場(chǎng)已很大。，溝道內(nèi)的電場(chǎng)已很大。遷移率不再遷移率不再是常數(shù)是常數(shù)。6.3 非理想效應(yīng)非理想效應(yīng)WhaeNsatIsatsatdD)()(6.3 非理想效應(yīng)非理想效應(yīng)表明載流子速度和空間電荷寬度飽和效應(yīng)的表明載流子速度和空間電荷寬度飽和效應(yīng)的JFET剖面剖面6.3 非理想效應(yīng)非理想效應(yīng)6.3 非理想效應(yīng)非理想效應(yīng)引入等效電容引入等效電容-電阻電路電阻電路進(jìn)行頻率特性分析進(jìn)行頻率特性分析JFET中不同的物理因子對(duì)頻率限制的影響中不同的物理因子對(duì)頻率限制的影響定義晶體管的特征參數(shù)定義晶體管的特征參數(shù)截止頻率截止頻率主主要要內(nèi)內(nèi)容容源串聯(lián)電阻影響源串聯(lián)電阻影響小信號(hào)電流小信號(hào)電流Ids =

27、gmVgsVGS與與Vgs關(guān)系：關(guān)系：VGS=Vgs +(gmVgs)rs=(1+gm rs) Vgs漏極電阻的影響是：漏極電阻的影響是：降低有效跨導(dǎo)或晶體管增益降低有效跨導(dǎo)或晶體管增益gsmgssmmdsVgVrggI 1也也可可以以寫寫成成由于由于gm是直流柵源電壓的函數(shù)，因此是直流柵源電壓的函數(shù)，因此g m也是也是VGS的函數(shù)。的函數(shù)。晶體管工作于飽和區(qū)時(shí)晶體管工作于飽和區(qū)時(shí)gm與與VGS關(guān)系。關(guān)系。理想情況跨導(dǎo)理想情況跨導(dǎo)實(shí)驗(yàn)：有串聯(lián)電實(shí)驗(yàn)：有串聯(lián)電阻阻rs=2000 時(shí)時(shí)的跨導(dǎo)的跨導(dǎo)6.4.2 頻率限制因子和截止頻率頻率限制因子和截止頻率 22msT2f (min)maxg 2 f2

28、,LaNeaaWLCLWaNeCgfVgVCICCCVCCjIsdnTsGdngmTgsmgsGigdgsGgsgdgsi 。最最大大截截止止頻頻率率為為為為空空間間最最大大電電荷荷區(qū)區(qū)寬寬度度最最小小柵柵電電容容為為最最大大跨跨導(dǎo)導(dǎo)即即那那么么截截止止頻頻率率為為：如如果果使使輸輸出出短短路路時(shí)時(shí)有有：u硅硅JFET具有很高的截止頻率具有很高的截止頻率。u對(duì)于小幾何尺寸的砷化鎵對(duì)于小幾何尺寸的砷化鎵JFET或或MESFET，截止頻，截止頻率更大。率更大。uGaAs FET的一個(gè)用途是用于超高數(shù)字集成電路的一個(gè)用途是用于超高數(shù)字集成電路中：中：GaAs MESFET邏輯門可以實(shí)現(xiàn)達(dá)到次毫微秒范

29、圍內(nèi)邏輯門可以實(shí)現(xiàn)達(dá)到次毫微秒范圍內(nèi)的傳播延遲時(shí)間。的傳播延遲時(shí)間。增強(qiáng)型增強(qiáng)型GaAs JFET在邏輯電路中用于驅(qū)動(dòng)級(jí)，耗盡型在邏輯電路中用于驅(qū)動(dòng)級(jí)，耗盡型器件可用于負(fù)載?？梢詫?shí)現(xiàn)低至器件可用于負(fù)載?？梢詫?shí)現(xiàn)低至45 PS的延遲時(shí)間。的延遲時(shí)間。6.5 高電子遷移率晶體管（高電子遷移率晶體管（HEMT）隨著頻率、功率容量以及低噪聲容限需求的增加，砷化隨著頻率、功率容量以及低噪聲容限需求的增加，砷化鎵鎵MESFET已經(jīng)達(dá)到了其設(shè)計(jì)上的極限。已經(jīng)達(dá)到了其設(shè)計(jì)上的極限。因此需要更短溝道長(zhǎng)度、更大飽和電流和更大跨導(dǎo)的短因此需要更短溝道長(zhǎng)度、更大飽和電流和更大跨導(dǎo)的短溝道溝道FET?？梢酝ㄟ^可以通過來

30、滿足這些需求。來滿足這些需求。但是溝道區(qū)多數(shù)載流子與電離的雜質(zhì)共同存在，多數(shù)載流但是溝道區(qū)多數(shù)載流子與電離的雜質(zhì)共同存在，多數(shù)載流子受電離雜質(zhì)散射，從而使載流子遷移率減小，器件性能子受電離雜質(zhì)散射，從而使載流子遷移率減小，器件性能降低。降低。在未摻雜的在未摻雜的GaAs薄勢(shì)阱中形薄勢(shì)阱中形成了電子的一個(gè)成了電子的一個(gè)二維表面溝道二維表面溝道層層?？色@得?？色@得1012cm-2數(shù)量級(jí)的數(shù)量級(jí)的電子載流子密度。由于雜質(zhì)散電子載流子密度。由于雜質(zhì)散射效應(yīng)降低，載流子在低場(chǎng)中射效應(yīng)降低，載流子在低場(chǎng)中平行于異質(zhì)結(jié)運(yùn)動(dòng)的遷移率得平行于異質(zhì)結(jié)運(yùn)動(dòng)的遷移率得到改進(jìn)。到改進(jìn)。異質(zhì)結(jié)中的電子遷移率異質(zhì)結(jié)中的電子

31、遷移率是由是由晶晶格或散射決定格或散射決定的，因此隨著的，因此隨著溫溫度的降低度的降低，遷移率迅速增加遷移率迅速增加。6.5 6.5 高電子遷移率晶體管高電子遷移率晶體管* * 6.5.16.5.1量子阱結(jié)構(gòu)量子阱結(jié)構(gòu)6.5.16.5.1量子阱結(jié)構(gòu)量子阱結(jié)構(gòu)二維電子氣：二維電子氣：來自高摻雜半導(dǎo)體區(qū)域；來自高摻雜半導(dǎo)體區(qū)域；位于低摻雜半導(dǎo)體區(qū)域；位于低摻雜半導(dǎo)體區(qū)域；降低了雜質(zhì)散射；降低了雜質(zhì)散射；增大了電子遷移率。增大了電子遷移率。增大載流子與電離施主原子增大載流子與電離施主原子的分離程度，可使它們之間的分離程度，可使它們之間的庫侖引力更小，從而進(jìn)一的庫侖引力更小，從而進(jìn)一步增大電子遷移率。

32、步增大電子遷移率。這種異質(zhì)結(jié)的不足之處是勢(shì)阱中的電子密度比突變結(jié)中的小。這種異質(zhì)結(jié)的不足之處是勢(shì)阱中的電子密度比突變結(jié)中的小。分子束外延技術(shù)可以通過特定摻雜，生長(zhǎng)一層很分子束外延技術(shù)可以通過特定摻雜，生長(zhǎng)一層很薄的特殊半導(dǎo)體材料，尤其可以形成多層摻雜異薄的特殊半導(dǎo)體材料，尤其可以形成多層摻雜異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。多層膜結(jié)構(gòu)：多層膜結(jié)構(gòu)：增加溝道電子層；增加溝道電子層；增加溝道電子密度；增加溝道電子密度；增強(qiáng)增強(qiáng)FET負(fù)載能力。負(fù)載能力。典型典型HEMT結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)N-AlGaAs 與未摻雜的與未摻雜的GaAs之間被一個(gè)未摻雜的之間被一個(gè)未摻雜的AlGaAs間隔層隔開。間隔層隔開。 N-AlGaAs

33、通過通過肖特基接觸形成柵極肖特基接觸形成柵極勢(shì)阱里二維電子氣層中的電子密度受控于柵極電壓。勢(shì)阱里二維電子氣層中的電子密度受控于柵極電壓。在柵極加足夠大的負(fù)柵壓時(shí)，肖特基柵極中的電場(chǎng)使在柵極加足夠大的負(fù)柵壓時(shí)，肖特基柵極中的電場(chǎng)使勢(shì)阱中的二維電子氣層耗盡。勢(shì)阱中的二維電子氣層耗盡。標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)HEMT器件的能帶圖：（器件的能帶圖：（a)零柵壓（零柵壓（b）負(fù)柵壓）負(fù)柵壓AlGaAs增強(qiáng)型增強(qiáng)型HEMT器件的電流器件的電流-電壓關(guān)系電壓關(guān)系這種異質(zhì)結(jié)器件中的電流可以達(dá)到很大。這種異質(zhì)結(jié)器件中的電流可以達(dá)到很大。器件的電流增大，負(fù)載能力器件的電流增大，負(fù)載能力增強(qiáng)；增強(qiáng)；多層溝道多層溝道HEMT受柵電壓調(diào)受柵電壓調(diào)制的作用。制的作用。最大跨導(dǎo)不能直接用溝道的最大跨導(dǎo)不能直接用溝道的數(shù)量來衡量，因?yàn)闇系赖拈摂?shù)量來衡量，因?yàn)闇系赖拈撝惦妷弘S溝道不同而變化；值電壓隨溝道不同而變化；有效溝道長(zhǎng)度隨柵極與溝道