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JFET,和,MESFET,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢您,第五章,JFET,和,MESFET,JFET,基本结构和工作过程,理想,JFETI-V,特征,静态特征,小信号参数和等效电路,JFET,截止频率,夹断后,JFET,性能,金属,-,半导体场效应晶体管,JFET,和,MESFET,类型,异质结,MESFET,和,HEMT,第1页,5.1,JFET,基本结构和工作过程,1.JFET,基本结构,图5-1 由两种工艺制成 沟道JFET,（a）外延扩散工艺 （b）双扩散工艺,源极SourceS 漏极DrainD,栅极,GateG：,上栅、下栅,第2页,2.,工作原理,场效应,：半导体电导率被垂直于半导体表面电场调制效应叫做场效应,。,图5-2,JFET：（a），（b）=，（c）,理想漏极特征,5.1,JFET,基本结构和工作过程,第3页,JFET,几个突出特点:,JFET,电流传输主要由一个型号载流子,-,多数载流子负担，不存在少数载流子贮存效应，所以有利于到达比较高截止频率和快开关速度。,JFET,是电压控制器件。它输入电阻要比,BJT,高得多，所以其输入端易于与标准微波系统匹配，在应用电路中易于实现级间直接耦合。,因为是多子器件，所以抗辐射能力强。,与,BJT,及,MOS,工艺兼容，有利于集成。,5.1,JFET,基本结构和工作过程,第4页,教学要求,简述,JFET,基本工作原理。,为何说,JFET,实际上是一个电压控制电阻。,熟悉沟道夹断、漏电流饱和、夹断电压等概念。,5.1,JFET,基本结构和工作过程,第5页,5.2 理想,JFET,I-V,特征,1.,理想,JFET,基本假设及其意义,单边突变结：,SCR,在轻掺杂一侧,沟道内杂质分布均匀：无内建电场，载流子分布均匀，无扩散运动。,沟道内载流子迁移率为常数；,忽略有源区以外源、漏区以及接触上电压降，于是沟道长度为,L；,缓变沟道近似，即空间电荷区内电场沿,y,方向，而中性沟道内电场只有,X,方向上分量：二维问题化为一维问题。,长沟道近似：,L,2a，,于是,W,沿着,L,改变很小，看作是矩形沟道。,第6页,2.,夹断前电流电压特征,JFET,中,x,处耗尽层宽度为,(5-1),(5-2),漏极电流,为电流流过截面积。,(5-3),5.2 理想,JFET,I-V,特征,第7页,(5-4),式中,(5-5),5.2 理想,JFET,I-V,特征,第8页,图5-4 硅,N,沟道,JFET,电流,电压特征：,（,a）,式（5-4）理论曲线，（,b）,试验结果,5.2 理想,JFET,I-V,特征,第9页,沟道夹断与夹断电压,：,（5-6）,式中 为夹断电压。常称 为内夹断电压。由式（5-6）可见，夹断电压仅由器件材料参数和结构参数决定，是器件固有参数。,在夹断点，令（5-1）式中 以及 ，可求得夹断电压：,5.2 理想,JFET,I-V,特征,第10页,例,N,沟道,JFET,有：,以及,。求：（,a）,夹断电压 和 ，（,b）,在栅极和源极二者接地时，漏极电流。,解：,5.2 理想,JFET,I-V,特征,第11页,教学要求,掌握理想,JFET,基本假设及其意义。,了解夹断前,JFET,IV,特征方程（5-4）。,深入了解沟道夹断和夹断电压含义。依据公式,（5-6）,了解夹断电压仅由器件材料参数和结构参数决定，是器件固有参数。以及“在夹断点夹断电压相等”一语依据。,5.2 理想,JFET,I-V,特征,第12页,5.3 静态特征,（5-8）,令 ,（5-4）式中第二项：,（5-7）,1.,线性区,把（5-7）式代入（5-4）式并简化，得到,上式表明，漏极电流对漏极电压确实是线性依赖关系。,（5-8）式也反应出栅极电压对,I-V,曲线斜率显著影响。,第13页,可见，夹断电压由栅电压和漏电压共同确定。对于不一样栅电压来说，为,到达夹断条件所需要漏电压是不一样。,在图5-4,a,中把（5-9）式绘成曲线，称为夹断曲线。超出夹断曲线电流,电压特征称为饱和区，这是漏极电流是饱和。,（5-9）,（5-10）,2.,饱和区,在夹断点首先发生在漏端，漏极和栅极上偏置电压大小满足条件,把（5-9）式代入（5-4）式，导出饱和漏极电流 ：,5.3 静态特征,第14页,（5-,11,）,式中 表示栅极电压为零（即栅源短路）时漏极饱和电流。,（5-10）式称为,JFET,转移特征，并绘于图5-5中。在图5-5中，还画出了抛物线,5.3 静态特征,试验发觉，即使在,y,方向为任意非均匀杂质分布，全部转移特征都落在图5-5中所表示两条曲线之间。,在放大应用当中，通常工作在饱和区，,而且在已知栅电压信号时，可利用转移特征求得输出漏极电流,第15页,（5-9）,教学要求,JFET,夹断曲线意义：,掌握线性区条件：,掌握线性区,IV,特征：公式（5-8）,掌握饱和区条件：,掌握饱和区,IV,特征：公式（5-10）,5.3 静态特征,第16页,5.4 小信号参数和等效电路,JFET,所包含电学属性,：,图5-7 含有源电阻和漏电阻,JEFT,第17页,（5-12）,式（5,-12,）由（5-8）式对漏电压求导得到（对于,）。,可见,JFET,是一个电压控制可变电阻。,（5-13）,1.线性区漏极导纳：定义为：,2.线性区跨导：定义为：,式（5-13）由（5-8）式对 求导得到。,5.4 小信号参数和等效电路,第18页,（5-14）,栅极漏泄电流用 和 表示它们是,P-N,结反向饱和电流产生电流和表面漏泄电流总和。在平面,JFET,型中，表面漏泄电流成份通常很小。在普通器件中，栅极漏泄电流数值在 之间，由此得到输入阻抗大于10,8,。所以说,JFET,是高输入阻抗电压控制器件。,3.饱和跨导：定义为,在饱和区，公式（5,-14,）由式（5-10）对求导得到。,4.栅极漏泄电流：,5.4 小信号参数和等效电路,第19页,线性输出导纳等于饱和跨导。经典跨导试验曲线绘于图5-6中。,图5-6 跨导理论曲线和试验曲线,5.4 小信号参数和等效电路,第20页,（5-22）,（5-23）,5.栅极电容：,栅和沟道之间,P-N,结在反偏压下所含有结电容。则栅极总电容能够用下式表示,为平均耗尽层宽度,为每个结面积,因子2是考虑了两个,P-N,结贡献,在 ，并处于夹断条件时，因而，夹断时栅电容为：,为简化设计，往往用两个集总电容，即栅一漏电容 和栅一源电容 来表示，而不论栅电容实际分布性质怎样。,5.4 小信号参数和等效电路,第21页,7.源、漏串联电阻 和 。,6.器件封装电容：,器件封装在漏和源两端引发小电容 。,8.漏极电阻,它表示了漏电流不饱和性，是由沟道长度调制引发（在以后讨论）。,5.4 小信号参数和等效电路,第22页,简化等效电路绘于图5-9中，对于大多应用，这种简单电路已经足够。对于低频利用，,电容能够忽略不计。,图5-8 小信号等效电路 图5-9简化小信号等效电路,5.4 小信号参数和等效电路,第23页,教学要求,结合图5.7分析,JFET,所包含电学属性，从中总结出：线性区漏极导纳、线性区跨导、饱和跨导、栅极漏泄电流、栅极电容、器件封装电容、源、漏串联电阻和 漏极电阻等。,分析上述电学参数和交流小信号参数所代表物理意义。,绘出简化交流小信号等效电路图5.9。,5.4 小信号参数和等效电路,第24页,5.5,JFET,截止频率,截止频率,:,不能再放大输入信号最高频率。,（5-24）,（5-,26,）,采取图5-9所表示等效电路，考虑输出短路情形，当经过输入电容电流与输出漏极电流相等时，到达增益为,1,（不再放大）条件。,输入电流：,输出电流：,截止频率：,(5-25),第25页,讨论：,在（5-2,6,）式中 项等于 ，因而 为夹断电压所决定。在考虑最高频率时，通常这一项无法调整。（5-26）式中其它可调整量为迁移率和沟道长度。为了实现最好高频性能，要有高迁移率和短沟道长度,。,并令,得到。,（5-26）式中最终结果是利用了（5-23）式 和（5-5）式,5.5,JFET,截止频率,第26页,教学要求,掌握概念：截止频率,导出截止频率公式（5-26）,了解实现高频性能路径：高迁移率和短沟道长度。,5.5,JFET,截止频率,第27页,5.6 夹断后,JFET,性能,图5-10 夹断后沟道长度调制,1.,沟道长度调制效应,沟道夹断之后，漏极电压深入增加时，耗尽区长度增加，电中性沟道长度减小。这种现象称为沟道长度调制。,第28页,在沟道中心，电中性沟道区承受电压 ，耗尽沟道区承受电压,。因为被减短电中性沟道长度承受着一样 ，而沟道长度降低了，因而，对于夹断后任何漏极电压，都会使漏极电流略有增加。因为这个原因，夹断后漏极电流不是饱和，且漏极电阻为有限。,5.6 夹断后,JFET,性能,第29页,（5-27）,式中新沟道长度 承受夹断电压 。,因为在夹断点 （夹断电压）不变，所以,2.,饱和区漏极电阻,夹断后漏极电流可经过修改（5-10）式求得,5.6 夹断后,JFET,性能,第30页,（5-29）,（5-30）,（5-31）,夹断后被耗尽沟道长度增加了,假设被耗尽沟道向源端扩展与向漏端扩展相等，,夹断时小信号漏极电阻近似地用漏极电流电压特征斜率表示：,5.6 夹断后,JFET,性能,第31页,例题：,考虑5-2节例题中,JFET。,求出 和 时漏极电阻。,解：,取 作为,V-I,曲线上两点供计算。求得,5.6 夹断后,JFET,性能,例,N,沟道,JFET,有：,以及,。求：（,a）,夹断电压 和 ，（,b）,在栅极和源极二者接地时，漏极电流。,第32页,其中用了,在,在,式（531）可改写成,5.6 夹断后,JFET,性能,第33页,3.,漏极击穿,伴随漏极电压增加，会造成栅沟道二极管发生雪崩击穿，这是漏电流突然增加所致。如绘于图5-11中情形。击穿发生在沟道漏端，因为那里有最高反向偏压。此击穿电压可用下式表示,（5-32）,式 中为击穿时漏电压。,5.6 夹断后,JFET,性能,第34页,导出夹断后沟道长度公式（5-30）,了解小信号漏极电阻定义公式（5-31）,经过例题掌握小信号漏极电阻计算方法。,了解,JFET,漏极击穿及其机制。,教学要求,说明沟道长度调制效应。,为何夹断后漏电流能够写做：,5.6 夹断后,JFET,性能,第35页,5.7金属半导体场效应晶体管,实际,MESFET,是利用半绝缘,GaAs,衬底上一层外延层制造。以减小寄生电阻。肖特基势垒是和源、漏两极欧姆接触一起用蒸发方法在,N,型外延层顶面上形成。,1.MESFET,基本结构,图5-12,MESFET,俯,视图,第36页,常闭型或增强型：时,MESFET,肖特基势垒穿透了 外延层到达绝缘衬底，所以不出现导电沟道。工作时需要给耗尽层加上正向偏压，使耗尽层变窄，以致耗尽层下边缘向 层内回缩，离开半绝缘衬底，使得在耗尽层下方和绝缘体衬底之间形成导电沟道。,2.MESFET,两种类型,5.7金属半导体场效应晶体管,第37页,常开型或耗尽型：时,MESFET,肖特基势垒没有到达半绝缘衬底。,时就存在导电沟道，而欲使沟道夹断，则需给耗尽层加上负栅偏压。因为,MESFET,与,JFET,工作原理相同，所以，前面几节对,JFET,所给出理论公式，都适合于,MESFET,。不过对于增强型,MESFET，（5-6）,式中 通常换成 。称为阈值电压。显然 总是正。另外，因为,MESFET,无下沟道，所以其漏电流应是（5-4）式中二分之一。,第38页,教学要求,掌握,MESFET,基本结构和工作原理。,了解,MESFET,突出特点。,了解,MESFET,两种类型：,试导出增强型,MESFET,I-V,特征。,5.7金属半导体场效应晶体管,第39页,5.8,JFET,和,MESFET,类型,耗尽（,depletion）,型：栅偏压为零时就存在导电沟道，而欲使沟道夹断，必须施加反向偏压，使沟道内载流子耗尽（常开型,normally on）。,增强（,enhancement）,型：栅偏压为零时，沟道是夹断，只有外加正偏压时，才能开始导电（常闭型,normally off）。,N-,沟耗尽（,depletion）,型、,N-,沟增强（,enhancement）,型,P-,沟耗尽（,depletion）,型、,P-,沟增强（,enhancement）,型,第40页,5.8,JFET,和,MESFET,类型,第41页,5.9异质,MESFET,结和,HEMT,顶部 层和铝栅极形成肖特基势垒（），若用,Al,直接和有源层接触，势垒太低。,层称为有源层，沟道中电子被限制在该层内。这一有源层载流子迁移率比,GaAs,高，所以能取得较高跨导和较高工作速度。,1.,异质结,MESFET,异质结,MESFET,主要优点是工作速度快，称为快速晶体管。,各半导体层是利用分子束外延技术在方向半绝缘磷化铟衬底上生长。半导体层和磷化铟衬底含有良好晶格匹配。这使界面陷阱密度很低。图5-14,b,是热平衡时能带图。,第42页,图5-14（,a）,双异质结,MESFET,截面图,5.9异质,MESFET,结和,HEMT,第43页,下列图是热平衡时能带图,图5-14（,b）,热平衡时能带图,5.9异质,MESFET,结和,HEMT,第44页,2.HEMT,叫作高电子迁移率晶体管，它是另一个类型异质结。基本结构如图5-15,a,所表示。,5.9异质,MESFET,结和,HEMT,第45页,基本结构：,在不掺杂 衬底上外延生长一 宽禁带,层；在 层上再生长一层 控制层，它和金属栅极形成肖特基势垒，和 层形成异质结。,层厚度和掺杂浓度（经典值为数十 和 ）决定器件阈值电压。,5.9异质,MESFET,结和,HEMT,第46页,工作原理：,（1）经过对栅极加正向偏压，能够将电子引入异质结界面处层,GaAs,中。假如,AlGaAs,层较厚或者掺杂浓度较高，则栅压 时，异质结界面处,GaAs,表面电子势阱内已经有电子存在,MESFET,是耗尽型；相反，假如,AlGaAs,层较薄或者掺杂浓度较低，时耗尽层伸展到,GaAs,内部，势阱内没有电子，器件是增强型。,（2）,AlGaAs,禁带宽度比,GaAs,大，它们形成异质结时，导带边不连续。,AlGaAs,导带边比,GaAs,高 ，结果电子从,AlGaAs,向,GaAs,转移引发界面处能带弯曲，在,GaAs,表面形成近似三角形电子势阱。当势阱较深时，电子基本上被限制在势阱宽度所决定薄层（,约,）内。这么电子系统被称为二维电子气（2,DEG）。,5.9异质,MESFET,结和,HEMT,第47页,HEMT,特点：,2,DEG,和提供自由电子,N,+,-AlGaAs,层之间夹着不掺杂,AlGaAs,薄层，从而基本上不受电离杂质散射，迁移率显著增加。比体材料电子迁移率高得多。,GaAs,不掺杂，也是为了防止陷阱内电离杂质散射。这种器件依靠迁移率很高2,DEG,导电，含有更大工作速度和更高截止频率。所以，这种结构,MESFET,常称为2,DEG,场效应晶体管（,TEGFET）,或调制掺杂场效应晶体管（,MODFET）,或选择掺杂异质结晶体管。前者说明这种器件高频，高速原因是电子迁移率高，后者强调得到高迁移率方法是调制掺杂或者说选择掺杂。通常把这种器件称为高电子迁移率晶体管（,HEMT）。,（3）2,DEG,是指电子（或空穴）被限制在平行于界面平面内自由运动，而在垂直于界面方向上受到限制。势阱深度受到栅偏压 控制，故2,DEG,浓度（面密度）将受到 控制，从而器件电流受到 控制。,5.9异质,MESFET,结和,HEMT,第48页,教学要求（不作考试要求）,了解异质结,MESFET,和,HEMT,基本结构和工作原理。,了解概念：二维电子气（2,DEG）、2DEG,场效应晶体管（,TEGFET）、,调制掺杂场效应晶体管（,MODFET）、,选择掺杂异质结晶体管。高电子迁移率晶体管（,HEMT）。,5.9异质,MESFET,结和,HEMT,第49页,