半導(dǎo)體器件物理學(xué)習(xí)指導(dǎo)：第五章 結(jié)型場效應(yīng)晶體管和金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管

1、第五章 結(jié)型場效應(yīng)晶體管和金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管一、名詞 術(shù)語 概念 問題場效應(yīng)：利用電場使半導(dǎo)體電導(dǎo)改變的效應(yīng)。單極器件(unipolar devices)：主要靠一種載流子傳輸電流的器件溝道夾斷：柵結(jié)空間電荷區(qū)完全擴(kuò)展進(jìn)溝道，以至于導(dǎo)電溝道完全被耗盡自由載流子的耗盡區(qū)所充滿的現(xiàn)象。溝道夾斷首先發(fā)生在漏端（xL處）（夾斷點(diǎn)）。隨著柵偏壓或漏電壓的增加夾斷點(diǎn)向源端移動(dòng)。夾斷電壓：形成溝道夾斷時(shí)的外加電壓（ ）。 內(nèi)夾斷電壓：溝道夾斷時(shí)的總電壓（ ）。漏極導(dǎo)納：漏極電流對(duì)漏極電壓的變化率，它反映了JFET的輸出特性?？鐚?dǎo)：漏極電流對(duì)柵極電壓的變化率，它反映了JFET的轉(zhuǎn)移特性 柵極總電容：在柵P

2、N結(jié)在反偏壓下的結(jié)電容 在 ，并處于夾斷條件時(shí)，柵電容為截止頻率：JFET不能再放大輸入信號(hào)（當(dāng)通過輸入電容的電流與輸出的漏極電流相等時(shí)，達(dá)到增益為1）時(shí)的最高頻率。 溝道長度調(diào)制效應(yīng)：夾斷條件規(guī)定為兩個(gè)空間電荷區(qū)在溝道中心相遇。當(dāng)漏極電壓進(jìn)一步增加時(shí)，溝道中更多的自由載流子耗盡。結(jié)果是耗盡區(qū)的長度增加，電中性的溝道長度減小。這種現(xiàn)象稱為溝道長度調(diào)制效應(yīng)。在溝道中心，外加漏極電壓這時(shí)由耗盡區(qū)和電中性區(qū)分?jǐn)?，由電中性的溝道區(qū)承受電壓 ，并由耗盡的溝道區(qū)承受電壓由于被減短的電中性溝道長度承受著同樣的 ，因而，對(duì)于夾斷后的任何漏極電壓，都會(huì)使漏極電流略有增加。由于這個(gè)原因，夾斷后的漏極電流不是飽和的

3、，且漏極電阻為有限。畫出結(jié)構(gòu)示意圖，簡述JFET得工作原理（圖5.1a、b兩圖任畫一個(gè)即可）：答：采用標(biāo)準(zhǔn)的平面外延工藝制成的理想 示于圖5-1a中。下邊的重?fù)诫s 層為襯底。在 襯底上外延生長輕摻雜的N型層。上邊的重?fù)诫s 層是通過向N型外延層中擴(kuò)散硼形成的。器件的有源區(qū)為夾在兩個(gè) 層之間的N型層。有源層也稱為導(dǎo)電溝道。上下兩個(gè) 區(qū)不是被內(nèi)連接就是被外連接以形成柵極端。連接在溝道兩端的歐姆接觸分別稱為漏極端和源極端，通過它們流過溝道電流。源極發(fā)射載流子，漏端收集載流子。 另外，還可以采用雙擴(kuò)散技術(shù)制造JFET，該技術(shù)通過擴(kuò)散形成溝道和上柵，如繪于圖5-1（b）中的情形。 由于溝道摻入的是施主雜質(zhì)

4、，溝道電流由電子傳輸，所以這里表示的結(jié)構(gòu)稱為N溝道JFET。倘若溝道是受主原子摻雜而柵區(qū)為 型，則溝道電流是由空穴傳輸?shù)摹４朔N器件稱為P溝道JFET。由于電子的遷移率比空穴的高，N溝道器件能提供更高的電導(dǎo)和更高的速度，它在大多數(shù)應(yīng)用中處于優(yōu)先地位。在正常工作條件下，反向偏壓加于P-N柵結(jié)的兩側(cè)，使得空間電荷區(qū)向溝道內(nèi)部擴(kuò)展，并使耗盡層中的載流子耗盡。結(jié)果是，溝道的截面積被減小，因而溝道電阻增加。這樣，源和漏之間流過的電流就受到柵電壓的調(diào)制。這就是JFET的基本工作原理。源極上柵極漏極Z源極漏極柵極Z下柵極（a）（b）圖5-1 由兩種工藝制成的溝道JFET（a）外延擴(kuò)散工藝 （b）雙擴(kuò)散工藝與J

5、FET相比MESFET有哪些特點(diǎn)？答：（1）MESFET工藝簡單。MS工藝允許把溝道長度做得更短，使得結(jié)電容更小，有利于提高器件的開關(guān)速度和工作頻率；（2）MESFET多用砷化鎵材料制做，砷化鎵的電子遷移率大約是硅的六倍，因此可以制造出高頻、高速器件。什么是增強(qiáng)型和耗盡型JFET？答：耗盡型指JFET在柵偏壓為零時(shí)就存在導(dǎo)電溝道，而欲使溝道夾斷，必須給P-N結(jié)施加反向偏壓，使溝道內(nèi)載流子耗盡。增強(qiáng)型JFET同增強(qiáng)型MESFET一樣，在柵偏壓為零時(shí)，溝道是夾斷的，只有外加正偏壓時(shí)，才能開始導(dǎo)電?？紤]到P溝和N溝兩類導(dǎo)電溝道，則總共可有四種類型的JFET和MESFET，即N溝增強(qiáng)型，N溝耗盡型，P

6、溝增強(qiáng)型和P溝耗盡型。二 重要推導(dǎo) 1.導(dǎo)出夾斷電壓的表達(dá)式解：根據(jù) 公式（2.23），JFET加?xùn)?、漏電壓之后?公式（5.1）。在夾斷點(diǎn)，空間電荷區(qū)的寬度正好等于溝道的寬度，在上式中令以及 ，可求得夾斷電壓：式中 為達(dá)到夾斷條件的外加電壓，即夾斷電壓。 為夾斷電壓與自建電勢(shì)差的總和，常稱為內(nèi)夾斷電壓?？梢钥闯?，夾斷電壓僅由器件的材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。2畫出簡化等效電路圖，導(dǎo)出JFET的截止頻率解：簡化等效電路圖如下。根據(jù)簡化等效電路和截止頻率 的定義，輸入電流為輸出電流為使（1）式和（2）式相等，得到截止頻率為 公式（5.26） （1） （2） 圖5-8 簡化的小訊號(hào)等效電路三 重要圖表 圖5.1、5.9、5.12。 四 重要習(xí)題5-2 試推導(dǎo)N溝道JEFT的電流與電壓、關(guān)系。它的截止面為2a2a，為 所包圍，器件長度為L。解： 2a2a5-3 推導(dǎo)結(jié)型場效應(yīng)四級(jí)管的電流-電壓關(guān)系，在該四極管中，兩個(gè)柵極是分開的。兩個(gè)柵上的外加電壓為 和 。假設(shè)為單邊突變結(jié)。解：（畫出結(jié)構(gòu)示意圖）假設(shè)在電中性溝道中，電子分布是均勻的，電子的濃度梯度為零，因此，漏極電流中便只有電子漂移電流的成分，漏極電流為式中 表示漏極電流。 為電流流過的截面積 ，負(fù)號(hào)表示電流沿 方向。其中 （1） （2） （3） 把（2）、（3）式代入（1）式求積分，積分限由從 到 和0到 的相應(yīng)電壓確定，得到