下篇場(chǎng)效應(yīng)晶體管管。它通過(guò)改變垂直于導(dǎo)電溝道的電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)控制溝道體管的工作電流僅由多數(shù)載流子輸運(yùn)，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(chǎng)效應(yīng)晶體管(縮寫JFTME絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(縮寫薄膜場(chǎng)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(diǎn)，如體積小，重量FET是一種電壓控制器件(通過(guò)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(dá)109—FET類型多、偏置電壓的極性靈活、動(dòng)態(tài)范圍大、其各級(jí)間可采用直接耦合的形式，因而在電路設(shè)計(jì)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(cè)各種微弱信號(hào)的儀器、儀表、醫(yī)療器械等FF3場(chǎng)效

4PAGEPAGE5場(chǎng)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(dǎo)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(dǎo)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(xué)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(shí)，由于柵源電壓和漏源電壓同時(shí)作用，溝道中電場(chǎng)、電位、電流分布均為二維分布(如果認(rèn)為溝道無(wú)限寬)，方程求解非常復(fù)雜，緩變溝道近似模型很好地簡(jiǎn)化了該模型的基本點(diǎn)是①假定溝道中電場(chǎng)、電位和電流(即沿溝道方向緩慢變化②認(rèn)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(jiǎn)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(chǎng)分量Ex與沿溝道度方向使載流子漂移的電場(chǎng)分量E無(wú)關(guān)，且滿

Ex

此即變溝道近似(GCA)；（溝道電荷密度遠(yuǎn)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(dāng)溝道中不存在載流子濃度梯度時(shí) 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(shí)柵結(jié)上的Vp0=VD-JFET溝道厚度因柵p+-n結(jié)耗盡層厚度擴(kuò)展而變薄，當(dāng)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(shí)，整個(gè)溝道被夾斷，此時(shí)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(duì)值夾斷電壓

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

VGS=VD時(shí)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(shí)柵溝道統(tǒng)：輸入電結(jié)型場(chǎng)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(duì)，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(jiàn)，對(duì)一個(gè)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(dǎo)跨導(dǎo)是場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一個(gè)重要參數(shù)，它表跨導(dǎo)極電壓對(duì)漏極電流的控制跨導(dǎo)定義為漏源電壓VDS一定時(shí)，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(dǎo)與VGS、VDS飽和區(qū)跨導(dǎo)僅與VGSVVgmsG0[1( GS)21 3JFET飽和區(qū)跨導(dǎo)隨柵壓幅度減小而增大，當(dāng)VGS=VD時(shí)達(dá)到最大值G0跨導(dǎo)的單位是西門子S(1S＝1A/V)器件的跨導(dǎo)與溝道的寬長(zhǎng)比WL由于存在著溝道長(zhǎng)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(dǎo)，往往采用多個(gè)單元器件并聯(lián)的辦法來(lái)擴(kuò)非飽和區(qū)跨導(dǎo)隨柵電壓VGS和漏電壓VDS而變化，當(dāng)VDS=VDsat時(shí)，跨導(dǎo)達(dá)最大JFETPN+源漏圖6-10大跨導(dǎo)JFET圖形結(jié)構(gòu)(多溝道并聯(lián)漏極電導(dǎo)表示漏極電流隨漏源電壓的變化漏極電導(dǎo)gd

VW

gd

(20qND)2[VL

在漏極電壓VDS很小，即VDS0時(shí)，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(kuò)散溝道、離子注入溝道等。即使是薄外有意識(shí)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(gè)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)，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(gè)條的漏源電壓下，溝道中的平均場(chǎng)強(qiáng)也可達(dá)于此值。短溝道器件中的這種溝道強(qiáng)電場(chǎng)將使器件的特性偏離模型的結(jié)論。6遷移率隨場(chǎng)強(qiáng)上升而減小，導(dǎo)致漏極電流和跨導(dǎo)相對(duì)模型減小，并隨溝道場(chǎng)強(qiáng)而變化；載流子達(dá)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(dǎo)致漏極電流降至低場(chǎng)值的(1+VDS/LEc)溝道長(zhǎng)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(dǎo))下I'I 1

LE E

在絕緣襯底上外延生長(zhǎng)n型薄層硅，并在表面制作源區(qū)、漏區(qū)的歐姆接觸及勢(shì)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(shí)溝道中電場(chǎng)也較小，IDS隨VDS線強(qiáng)。當(dāng)外加電壓大到使溝道中yc點(diǎn)以 yc

0~

:vn

;

~L:vyc~L段對(duì)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(qiáng)電場(chǎng)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(dá)到飽和值，輸出特性曲線則在更靠近坐標(biāo)原y點(diǎn)處提前拐彎6速度飽和時(shí)的漏極電流ID2WqND(ah2vsl對(duì)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(duì)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(zhǎng)溝器件中(E<Ec)，由源端到漏端溝

L′

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

只有改變載流子密度來(lái)補(bǔ)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(qiáng)場(chǎng)，以維持載流子以飽和速度通過(guò)6

分布，在L’左側(cè)原先溝道最窄處積累的負(fù)電荷使該處柵結(jié)實(shí)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(kuò)展，速度飽和臨界點(diǎn)ycE在短溝道器件中，當(dāng)

L′

升而增大。由于速度飽和效應(yīng)使漏極電流提y6

對(duì)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(chǎng)疇存在的很好證明。在VDS＝0.5V時(shí)最大場(chǎng)強(qiáng)未達(dá)到峰值速度場(chǎng)強(qiáng)(對(duì)GaAs為3.2kV/cm)，溝道中電場(chǎng)分布基本均勻；隨著VDS升，疇外電場(chǎng)反而減小遷移率隨場(chǎng)強(qiáng)上升而減小，導(dǎo)致漏極電流和導(dǎo)相 模型減小，并隨溝道場(chǎng)強(qiáng)而變化載流子達(dá)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(dǎo)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(duì)于長(zhǎng)溝道器件把遷移率視為常數(shù)對(duì)于短溝道器件則考慮了遷移率隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化，且以溝道夾斷和速度飽和來(lái)區(qū)分二者電流飽和機(jī)制在長(zhǎng)溝道器件中只有在GCA成立的前提下，柵結(jié)勢(shì)壘區(qū)的性質(zhì)才能用一維泊松方程描述，勢(shì)壘區(qū)上電7已經(jīng)證明：在溝道末端約a／2的長(zhǎng)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(gè)德拜長(zhǎng)度(對(duì)稱柵結(jié)構(gòu))時(shí)用耗盡層近似來(lái)確定溝道邊界已不妥當(dāng)。因而前述的溝道夾斷的概念有必要進(jìn)一步探討。事實(shí)上：溝道不可能絕對(duì)7應(yīng)該這樣理解所謂的溝道夾斷：當(dāng)溝道殘留深度減小到兩個(gè)德拜長(zhǎng)度時(shí)，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(shí)。電流所謂溝道夾斷只是指中性導(dǎo)電溝道已不復(fù)存在，并LD

;

20(VDV)

kTlnNAq20

7由此可得如下結(jié)論：不論長(zhǎng)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(dá)到了飽和漂移速度，其差別在于：前者是首先達(dá)到中性溝道夾斷爾后達(dá)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(dá)速度飽和。從本質(zhì)上講，二者沒(méi)有 -B

DgAn面推導(dǎo)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(jìn)入飽和的速率減慢，VDsat增大,但不影響IDsat，即對(duì)小信號(hào)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(jìn)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(dǎo)，其影響程度決定于乘積RSgm?？?9柵結(jié)(pn結(jié)或結(jié))自建電勢(shì)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(shì)壘產(chǎn)生電流、反向擴(kuò)散電流表面漏電流都隨溫度升高而增6.3JFET交流小信號(hào)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(shí)間；二是柵結(jié)(pn結(jié)或結(jié))的RC時(shí)間常數(shù)

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

VDSL為溝道夾斷時(shí)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(jī)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(duì)準(zhǔn)結(jié) 凹槽溝道結(jié) 凹