场效应晶体管JFET与MESFET器件基础.pptVIP

2.5 JFET与MESFET器件基础 2.5.1 器件结与电流控制原理 1 结型场效应晶体管的结构 用掺杂在n型衬底上构成p+区，从而形成一个pn结。 上下两个P型区联在一起,称为栅极(G: grid)。 pn结下方有一条狭窄的N型区域称为沟道(channel)，其厚度为d，长度为L，宽度为W。 沟道两端的欧姆接触分别称为漏极(D, drain)和源极(S, source)。这种结构又称为N沟JFET。 2 JFET中沟道电流的特点 在漏（D）极和源（S）极之间加一个电压VDS,就有电流IS流过沟道. 如果在栅（G）和源（S）极之间加一个反向pn 结电压VGS，将使沟道区中的空间电荷区之间的距离逐步变小,由于栅区为P+,杂质浓度比沟道区高得多，故PN结空间电荷区向沟道区扩展,使沟道区变窄.从而实现电压控制源漏电流的目的。 综上所述： 1 JFET是压控器件. 2 JFET工作时,栅源是反偏电压,控制电流很小,因此是用小输入功率控制大的输出功率. 3 ID是在沟道中电场作用下多数载流子漂移电流,又称为单极器件. 2.5.2 JFET直流输出特性的定性分析 1 VGS=0情况下的源漏特性 一般源极接地。由于栅区为P+,可以认为栅区等电位. 2 VGS0情况下的源漏特性：曲线下移 2、特性分析 1.阈值电压VT Nsub为沟道掺杂浓度，a代表沟道宽度的一半 2.直流特性 （1）导通区伏-安特性 为跨导因子，?为沟道长度调制系数 （2）饱和区伏-安特性 （3）特征频率fT fT的定义与MOSFET相同 三、器件模型参数 2.6 MOS场效应晶体管 在微处理器和存储器方面，MOS集成电路几乎占据了绝对位置。 促进MOS晶体管发展的4大技术 半导体表面的稳定化技术 各种栅绝缘膜的实用化技术 自对准结构的MOS工艺 阈值电压的控制技术 2.6.1 MOSFET结构 MOSFET: MOS field-effect transistor 也叫：绝缘栅场效应晶体管（Insulated Gate, IGFET） 金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET) 电压控制电流—场效应晶体管 分为N沟道和P沟道，每一类又分为增强型和耗尽型。 1 MOSFET结构示意图 2 MOS 结构 MOS是采用电场控制感应电荷的方式控制导电沟道. 为了形成电场,在导电沟道区的止面覆盖了一层很薄的二氧化硅层,称为栅氧化层. 栅氧化层上覆盖一层金属铝或多晶硅,形成栅电极.构成一种金属-氧化物-半导体结构,故称为MOS结构.目前栅极大多采用多晶硅. 2.6.2 MOSFET工作原理（NMOS为例） 1 VGS小于等于0的情况:截止区 两个背靠背的PN结,源漏间阻抗很大,电流近似为0。对应于直流伏安特性中的截止区。 2 沟道的形成和阈值电压:线性区 （1）导电沟道的形成 表面场效应形成反型层（MOS电容结构） 反型层是以电子为载流子的N型薄层,就在N+型源区和N+型漏区间形成通道称为沟道。 VDS VGS - VT （4）亚阈值区 栅电压低于阈值电压时，MOS管中形成弱反型层，漏电流IDS虽然很小，但并不为0，而时随栅电压成指数规律变化，称此时的电流为弱反型电流或者亚阈值电流，它主要是由载流子扩散引起的。 当VDS大于200mv时，电流的简化公式有： 其中I0为VT为0时的电流，它是一个实验值； VT＝kT/q； z为一个非理想因子，z1； （5）击穿区 VDS增大到一定程度，使晶体管漏-衬底PN结击穿。 衬底偏置（背栅）效应 如果MOS管的源区和衬底电压不一致，就会产生衬底偏置效应，会对阈值电压产生影响： 其中：g 为衬底阈值参数或者体效应系数； F 为强反型层的表面势； VBS为衬底对源区的电压； VT0为VBS为0时的阈值电压； 1.衬底掺杂浓度是一个重要的参数，衬底掺杂浓度越低，器件的阈值电压将越小 2.栅材料和硅衬底的功函数差的数值对阈值电压有影响。 3.栅氧化层厚度决定的单位面积电容的大小，单位面积栅电容越大，阈值电压将越小，栅氧化层厚度应综合考虑 一般通过改变衬底掺杂浓度调整器件的阈值电压 MOS晶体管类别 按载流子类型分： NMOS: 也称为N沟道，载流子为电子。 PMOS: 也称为P沟道，载流子为空穴。 按导通类型分： 增强型： 耗尽型： 四种MOS晶体管：N沟增强型；N沟耗尽型；P沟增强型；P沟耗尽型 2.6.3 MOSFET伏-安特性 截止区： 非饱和区(线性区和过渡区)： 饱和区 有效沟道长度Leff