Lecture9v2電子教案

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。Lecture9v2-第九講金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（FET）-概述器件結(jié)構(gòu)及作用概念和結(jié)構(gòu)一般結(jié)構(gòu)作用的基礎(chǔ)；器件類型輸出特性漸變溝道近似速度飽和速度飽和問題速度飽和的特性小信號等效模型高頻性能制造工藝加工難題：（異質(zhì)結(jié)構(gòu)對我們生活有益的地方）1，半絕緣襯底；2，金屬半導(dǎo)體場勢壘柵；3，閾值控制；4，柵電阻；5，內(nèi)阻和漏電阻典型結(jié)果1，外延層臺式晶體管；2，質(zhì)子隔離；3，n+/n外延層和凹陷；4，向SI-GaAs中的直接注入BJT/FET比較BJT/FET比較（續(xù)）那好，但是在勢壘的控制上有更多的不同B

2、JTFET載流子基極中的少數(shù)載流子溝道中的多數(shù)載流子流動機理勢壘控制基極中的擴散與基極直接接觸溝道中的漂移門電路元件導(dǎo)致的改變電流的機理，少數(shù)載流子擴散和多數(shù)載流子漂移，可能是最重要的不同。FET機理金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）和結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）/金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MESFET）結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）對柵源結(jié)施加反向偏壓會增加?xùn)艠O耗盡層寬度，并限制源極和漏極之間的n型導(dǎo)帶。JFET（續(xù)）工作區(qū)：a，夾斷以下的線性區(qū)VPVGS0,VDS小b，接近夾斷的線性區(qū)VPVGS0,VDS接近(VGSVP)c，夾斷區(qū)VPVGS(VGSVP)d，夾斷區(qū)VGSVP0金屬半

3、導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MESFET）其作用與JFET的很相似。P-n結(jié)柵極被肖特基勢壘代替，并且低接觸和P-n結(jié)被消除，由于輕微摻雜的p型襯底被半絕緣襯底代替。MESFET的電流-電壓特性我們研究兩種電流，iG和iD，試圖找出它們關(guān)于兩種電壓，vGS和vDS的函數(shù)關(guān)系：iG（vGS，vDS）和iD（vGS，vDS）如果把模型中的漏源電壓限制在大于零，把柵源電壓限制在小于肖特基二極管的開啟電壓，我們就可以認為柵極電流可以忽略，并且iG0。iD（vGS，vDS），如果vGSVon，并且vDS0我們的主要問題是找到漏極電流iD的表達式。漏極電流的路徑是通過溝道到源極，我們用漸變溝道近似對其建模。MESF

4、ET的電流-電壓特性我們用來描述漏極電流-電壓的模型是漸變溝道近似。在這個模型中，我們假設(shè)溝道中的電流全部是在y方向，中止于柵極的電場線完全是垂直的。漸變溝道近似：在溝道上的電場線是嚴格垂直的，電流是嚴格水平的MESFET的電流-電壓特性：漸變溝道近似如果漸變溝道近似是成立的，我們可以解兩個獨立的一維問題：1，水平（x）方向上的靜電問題，確定：溝道中y方向上任意點上的流動電荷面密度2，y方向上的漂移問題，目的是找到沿著溝道的電壓降和電流的關(guān)系。將這個關(guān)系的表達式從y=0到y(tǒng)=L進行積分，就可以得到描述漏極電流和柵極及漏極電壓的最終表達式。MESFET的電流-電壓特性：垂直方向靜電問題沿著溝道y

5、位置上的面載流子濃度是：此處的耗盡層寬度為：結(jié)合上兩式得到：這就是我們想從垂直問題中得到的結(jié)果。MESFET的電流-電壓特性：水平方向漂移電流問題定義Vcs(y)為溝道中y點與源極有關(guān)的電壓Vcs(y)從y=L處的vDS變化為y=0處的0溝道中的水平電場，Ey，-dvcs(y)/dy漏極電流，iD，從溝道右邊流向左邊的電流：iD是常數(shù)，不隨y變化在任何y點，iD是是那個y點的面電荷密度，與它的凈漂移速度，和溝道寬度的乘積。MESFET的電流-電壓特性：水平方向漂移電流問題(續(xù))我們得到電流表達式：將各項重新排列，乘dy，將兩邊從y=0,vcs=0到y(tǒng)=l,vcs=vDS進行積分：進行積分，兩邊

6、除L，得到：MESFET的電流-電壓特性：線性或三極管區(qū)我們的結(jié)果是：圖示為：這個結(jié)果在適用于xd(y)=a之前，這種情況發(fā)生在y=L點，時。MESFET的電流-電壓特性：飽和區(qū)對于較大的vDS，即，時電流iD還保持在峰值，即：其中：圖示為：MESFET的電流-電壓特性：總結(jié)我們確定了夾端電壓，Vp，和未耗盡溝道電導(dǎo)，Go：我們可以由此寫出三個區(qū)中漏極電流的表達式：夾斷區(qū)：當(dāng)(vGS-Vp)0vDS時：iD=0（當(dāng)vGSVp時，對于所有的vDS，溝道都被夾斷，器件也被夾斷，即iD=0）飽和區(qū)：當(dāng)0(vGS-Vp)vDS時：線性區(qū)：當(dāng)0vDS(vGS-Vp)時：MESFET特性：溝道長度調(diào)制在實

7、際中，我們發(fā)現(xiàn)在飽和區(qū)中，iD隨著vDS增大而輕微增大。這是因為在夾斷點以上等效溝道長度隨著vDS增大而減小。我們將其表示為：LL(1-vDS)其含義是：1/L(1+vDS)/L因此：Go(1+vDS)Go注意：參數(shù)的單位是1/伏特，根據(jù)慣例，它的倒數(shù)被稱為初電壓：初電壓，VA=1/大信號模型：增強型FET在我們前面的討論中，我們已經(jīng)指出，在柵極沒有偏壓的情況，即vGS=0時，源極和漏極之間有一個導(dǎo)電溝道。這樣的器件叫做耗盡型FET如果柵極下面的摻雜層很薄，或者摻雜程度很輕，那么當(dāng)柵極沒有偏壓時，它就會被完全耗盡。這樣的器件叫做增強型FET（這種FET是典型的MOSFET）。必須對增強型MES

8、FET的柵極施加正向偏壓，以開啟溝道。增強型MESFET在柵極二極管導(dǎo)通前不會被開啟。這是一個很重要的限制，MOSFET和MESFET之間的很大區(qū)別。MESFET線性等效電路MESFET線性等效電路(續(xù))上頁中的公式在數(shù)學(xué)上的恒等的；它們沒有向我們提供器件的任何物理特性信息。我們需要一個描述FET在飽和狀態(tài)下被施加偏壓的模型，我們使用此時的電流表達式：（注意iG=0，所以gi和gr都是零）線性等效電路模型圖解法結(jié)果的電路表示法是：為了將這個模型推廣到高頻情況，我們引入小信號線性電容來表示柵極中儲存的電荷。MESFET的速度飽和問題（圖片已刪除）見：圖4-10-4:Shur,M.S.,PhysicsofSemiconductorDevicesEnglewoodCliffs,N.J.:Prentice-Hall,1990速度飽和模型對MESFET的電流-電壓特性的影響模型A:模型B:速度飽和的影響模型A前面的模型在Sy在一些點上等于Ssat之前一直成立；在那之后，電流即飽和模型A：速度飽和的影響模型B模型B:容易證明，我們在速度未飽和線性區(qū)的得到的表達式符合這個模型：這就是乘因數(shù)1/(1+VDS/FcritL)的原始表達式爆炸型或T柵極MESFET（圖片已刪除）見：HollisandMurphyin:Sze,S.M.,ed.,HighSpeedSemiconductorDevi