半導體器件物理-JFET

1、西安電子科技大學西安電子科技大學 XIDIDIAN UNIVERSITYXIDIDIAN UNIVERSITY第三章第三章 結型場效應晶體管結型場效應晶體管 2022-4-121場效應器件物理場效應器件物理2022-4-12XIDIAN UNIVERSITY 3.0 引言引言 FETFET（Field Effect TransistorField Effect Transistor）pFET基本結構原理：基本結構原理：u半導體導電溝道，阻值是受控的；半導體導電溝道，阻值是受控的；u控制電極（柵電極）產生與溝道垂直方向上的控制電極（柵電極）產生與溝道垂直方向上的“電場電場”u上述電場上述電場“調

2、制調制”導電溝道的電導導電溝道的電導-場效應場效應電）電子、或空穴）參與導（只有一種載流子（或）場效應晶體管載流子同時參與導電）（電子和空穴兩種極性雙極性晶體管晶體管 TransistorEffect FET(Field BT2022-4-12XIDIAN UNIVERSITY3ppn-JFET pn Junction FETpMESFET Metal-Semiconductor FET (Schottly Barrier Gate)pMOSFET Metal- Oxide -Semiconductor FET u傳統(tǒng)結構：金屬鋁柵傳統(tǒng)結構：金屬鋁柵-SiO2-Si系統(tǒng)系統(tǒng)FETu典型結構：高

3、摻雜多晶硅柵典型結構：高摻雜多晶硅柵-SiO2-Si系統(tǒng)系統(tǒng)FETu新結構：金屬硅化物柵新結構：金屬硅化物柵-高高K介質（絕緣層）介質（絕緣層）-Si系統(tǒng)系統(tǒng)FETuIGFET： Insulator Gate FET，柵和半導體之間存在絕緣層，柵和半導體之間存在絕緣層(絕緣柵）絕緣柵）3.0 引言引言 FETFET分類分類電容柵：柵晶體管MOSMOSFET：肖特基 結MESFET結柵pn：JFET-pnFET場效應3.1 JFET 主要內容主要內容p JFET的結構和類型的結構和類型p JFET的基本工作原理的基本工作原理u I-V特性的定性分析特性的定性分析u I-V特性的定量分析特性的定量

4、分析p JFET的幾個重要參數(shù)的幾個重要參數(shù)JFET結合結合n溝耗盡型溝耗盡型3.1 JFET n n溝耗盡型溝耗盡型JFETJFET結構結構p柵（柵（Gate）：又稱控制柵，高摻雜）：又稱控制柵，高摻雜P+， P+區(qū)等電位區(qū)等電位p源（源（Source）：提供導電載流子）：提供導電載流子p漏（漏（Drain）：接受導電載流子）：接受導電載流子p溝道（溝道（Channel）：兩個）：兩個P+區(qū)耗盡層之間的半導體區(qū)區(qū)耗盡層之間的半導體區(qū)(n區(qū)區(qū))，導電通道，導電通道pL-溝道長度，溝道長度，W-溝道寬度，溝道寬度，d-溝道厚度，溝道厚度，2a-原始溝道厚度原始溝道厚度u加加VDS，載流子從源漂移

5、到漏，形成漏電流，載流子從源漂移到漏，形成漏電流IDu柵結偏壓柵結偏壓VGS則改變耗盡層厚度，從而調制溝道電導則改變耗盡層厚度，從而調制溝道電導P+N結：柵結結：柵結3.1 JFET 分類分類(1)(1)n溝道溝道pn-JFETn型溝道，電子導電型溝道，電子導電VDS0，使電子從源流到漏，使電子從源流到漏p溝道溝道pn-JFETp型溝道，空穴導電型溝道，空穴導電VDS0n溝道溝道耗盡型耗盡型pn-JFET零柵壓時已存在溝道，零柵壓時已存在溝道，VPN0u溝道為高阻材料，零柵壓時，柵結內溝道為高阻材料，零柵壓時，柵結內建電勢已使溝道完全耗盡而夾斷建電勢已使溝道完全耗盡而夾斷 p按照按照0柵壓時是

6、否存在溝道劃分：耗盡型，增強型柵壓時是否存在溝道劃分：耗盡型，增強型3.1 JFET 分類分類(3)(3)p溝道溝道增強型增強型pn-JFET零柵壓時不存在反型溝道，零柵壓時不存在反型溝道，VTP03.1 JFET I-VI-V特性定性分析特性定性分析pp+n結，耗盡層（勢壘區(qū)）寬度結，耗盡層（勢壘區(qū)）寬度W與外加偏置電壓與外加偏置電壓Vpn（反偏：（反偏：Vpn為負）為負）關系：關系：uW與與Vpn之間有一一對應關系，無論知道其中哪一個量，就唯一確定另之間有一一對應關系，無論知道其中哪一個量，就唯一確定另一個量。一個量。p注意電壓下標字母前后順序的含義以及表示的電壓之間關系注意電壓下標字母前

7、后順序的含義以及表示的電壓之間關系 如：如：VDG = VDS+VSG = VDS-VGSdbieNVV)(2WpnVGS0SDGGP+nP+柵結：柵結：p+n結結3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析p偏置特點：偏置特點：VGS=0P+型柵區(qū)均為型柵區(qū)均為0電位，溝道存在電位，溝道存在VDS0，u有電流有電流IDu導電溝道形狀：源端溝道截面積最大，從源到漏不斷減小導電溝道形狀：源端溝道截面積最大，從源到漏不斷減小溝道中溝道中X點從源到漏，柵結反偏壓點從源到漏，柵結反偏壓VXS增加增加(VDS0)，源端源端PN結結0偏，近漏端偏，近漏端PN結反偏，漏端反偏壓最大

8、結反偏，漏端反偏壓最大為柵結反偏壓柵結偏壓有電勢差點相對于降落在溝道上，溝道方向上任一點XSXSXSGSSXGSGXXSDSVVVVVVVVSXVX0, 0,n溝道溝道耗盡型耗盡型pn-JFET：0柵壓溝道存在柵壓溝道存在XoVDS 很小很小 ID VDS（線性區(qū)（線性區(qū)）VDS 很小很小溝道方向溝道厚度不相等的現(xiàn)象很不明顯溝道方向溝道厚度不相等的現(xiàn)象很不明顯 溝道相當于是一個截面積均勻的電阻溝道相當于是一個截面積均勻的電阻 源漏電流源漏電流ID隨隨VDS幾乎是線性增加幾乎是線性增加 ID VDS（線性區(qū)）（線性區(qū)）3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析oVDS

9、 ID隨隨VDS增加的趨勢減慢，偏離直線增加的趨勢減慢，偏離直線(過渡區(qū)過渡區(qū))VDS溝道方向溝道厚度不相等的現(xiàn)象逐步表現(xiàn)溝道方向溝道厚度不相等的現(xiàn)象逐步表現(xiàn) 近漏端近漏端pn結耗盡層加寬，即溝道變窄結耗盡層加寬，即溝道變窄 溝道等效電阻溝道等效電阻 ID隨隨VDS增加的趨勢減慢，偏離直線增加的趨勢減慢，偏離直線3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析oVDS增加增加 “夾斷夾斷”（Pinchoff） VDS柵漏結反偏壓增加柵漏結反偏壓增加漏端溝道厚度剛好減小到零，漏端溝道夾斷漏端溝道厚度剛好減小到零，漏端溝道夾斷u相應相應VDS和和ID分別為漏源飽和電壓分別為漏

10、源飽和電壓VDS(sat)和飽和漏電流和飽和漏電流IDsatp夾斷點夾斷點:溝道厚度剛好等于溝道厚度剛好等于0的點的點u夾斷點的柵結偏壓是一定的（使耗盡層厚度夾斷點的柵結偏壓是一定的（使耗盡層厚度h=原始溝厚原始溝厚a）u若若VGS不變，不管夾斷點在什么位置，則夾斷點與源之間的電位差（柵不變，不管夾斷點在什么位置，則夾斷點與源之間的電位差（柵結偏壓）都保持不變，為結偏壓）都保持不變，為VDS(sat)3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析DSDSGSGDVVVV柵結偏壓oVDS VDSsat ，器件進入飽和區(qū)，器件進入飽和區(qū) VDS漏端漏端pn結耗盡層進一步擴大

11、，夾斷點逐步向源端移動結耗盡層進一步擴大，夾斷點逐步向源端移動u原溝道區(qū)：導電溝道區(qū)原溝道區(qū)：導電溝道區(qū)+耗盡層夾斷區(qū)，電流被夾斷了嗎？耗盡層夾斷區(qū)，電流被夾斷了嗎？o電流連續(xù)性：電流連續(xù)性：u導電溝道區(qū)上的電勢差導電溝道區(qū)上的電勢差VDSsat使電子從源出發(fā)漂移到達夾斷點，立即被使電子從源出發(fā)漂移到達夾斷點，立即被漏極與夾斷點間耗盡層中強電場漏極與夾斷點間耗盡層中強電場(VDS-VDSsat產生產生) 掃向漏極，形成掃向漏極，形成IDuID大小由導電溝道區(qū)決定大小由導電溝道區(qū)決定3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析oID=IDsat：u夾斷點與源之間（導電溝

12、道區(qū)兩端）的電位差保持夾斷點與源之間（導電溝道區(qū)兩端）的電位差保持VDS(sat)不變不變u夾斷點與源間長度（有效溝長）夾斷點與源間長度（有效溝長）LL-L Lu長溝器件，長溝器件，L較長，較長， LL,有效溝長基本不變有效溝長基本不變, 溝道形狀不變，溝道形狀不變，導電溝道區(qū)的等效電阻近似不變導電溝道區(qū)的等效電阻近似不變電流維持為夾斷點時的電流維持為夾斷點時的IDsat不變不變p溝道長度調制效應（短溝器件顯著）：溝道長度調制效應（短溝器件顯著）：u短溝器件，短溝器件，L較短，夾斷點與源間長度的減小相對明顯，較短，夾斷點與源間長度的減小相對明顯，導電溝道區(qū)的等效電阻減小導電溝道區(qū)的等效電阻減小

13、IDS略有增加略有增加3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析oVDS再繼續(xù)增加再繼續(xù)增加擊穿區(qū)：擊穿區(qū)： VDS 使柵和漏極之間反偏電壓過大，導致使柵和漏極之間反偏電壓過大，導致pn結擊穿，結擊穿， 使使JFET進入擊穿區(qū)。記這時電壓為進入擊穿區(qū)。記這時電壓為BVDS0u 注意：實際上這時真正擊穿是由于注意：實際上這時真正擊穿是由于D-G之間電壓達到擊穿電壓之間電壓達到擊穿電壓BVDGu BVDS0= BVDG，柵漏結擊穿，柵漏結擊穿， BVDG一定一定3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析DSDSGSDSDGVVVVV03.1

14、JFET V VGSGS00的修正的修正p偏置特點：偏置特點：uVGS0，導電溝道形狀還是與零偏時一樣導電溝道形狀還是與零偏時一樣，沿溝道方向溝道截面積不沿溝道方向溝道截面積不斷減小斷減小，溝道均比零偏情況下溝道均比零偏情況下更更窄窄p修正修正1:u線性區(qū)：線性區(qū)：有效溝道電阻增加有效溝道電阻增加,曲線斜率在減小，曲線斜率在減小， ID比零偏情況小比零偏情況小p 修正修正2:u 飽和電壓：飽和電壓：u 擊穿電壓：擊穿電壓：越厲害越負，是定值，柵漏反偏壓漏端夾斷夾斷點：漏端溝道剛好)()()()(0satDSGSsatDsatDSGSsatDSGSGDGDVVIVVVVVVah3.1 JFET

15、V VGSGS00的修正的修正越負越負，一定，柵漏結擊穿，DSGSDSGSDSGSGDGDBVVBVVBVVBVBV03.1 JFET 夾斷電壓夾斷電壓 p夾斷電壓：溝道全夾斷時（夾斷電壓：溝道全夾斷時（h=a）的柵源電壓）的柵源電壓VGS ， 記為記為Vpu（耗盡器件（耗盡器件Vp）n溝，溝， Vp 0,使使n+p結反偏結反偏u（增強器件（增強器件VT）n溝，溝， VT 0,使使p+n結正偏；結正偏；p溝，溝， VT VDsat IDS(VGS-VP)2(1+VDS) 為溝道長度調制系數(shù)為溝道長度調制系數(shù),L/(LVDS)， 代表漏源電壓引起的溝道長度的相對變化率。代表漏源電壓引起的溝道長度

16、的相對變化率。u 截止區(qū)：截止區(qū)：VGSVP溝道完全消失，溝道完全消失， IDS02022-4-12XIDIAN UNIVERSITY3.2 JFET I IDSDS-V-VDSDS特性定量分析特性定量分析pJFET轉移特性轉移特性u轉移特性：柵源電壓轉移特性：柵源電壓VGS對漏極電流對漏極電流ID的控制特性。的控制特性。通常用飽和區(qū)中的通常用飽和區(qū)中的ID-VGS關系表示。關系表示。uID-VGS表達式：由飽和區(qū)表達式：由飽和區(qū)IDS電流表達式可得電流表達式可得IDS(VGS-VP)2= =IDSS IDSS為柵壓為柵壓0V時的溝道漏電流時的溝道漏電流 22P)1 (VPGSVV2)1 (PGSVVp電壓控制器件：電壓控制器件：輸入電壓輸入電壓VGS調控溝道電阻，調控溝道電阻，控制控制IDS（BJT為電流控制器件）為電流控制器件）