结型场效应晶体管jfet.pptxVIP

第四章 结型场效应晶体管（JFET）结型场效应晶体管GaAs-MESFETHEMT1History30年代，美国的J.E.Lilienfeld/O.Heil提出场效应晶体管的设想。1952年，W.Shockley提出第一个现代场效应晶体管，即JFET。1960 MOSFET：Kahng和Atalla提出第一个MOS器件，栅长20微米，栅氧化层厚度100nm，铝栅电极，AL－SiO2－Si。1972年，CMOS技术以低功耗等优点在大规模生产的LED电路中采用。1980 MODFET：调制掺杂型场效应晶体管，会是最快的场效应晶体管。2001 15nmMOSFET：最先进的集成电路芯片的基本单元，可容纳1万亿以上的管子。 通过加在半导体表面上的垂直电场来调制半导体的的现象称为场效应。场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）是另一类重要的微电子器件。这是一种电压控制型多子导电器件，又称为单极型晶体管。这种器件与双极型晶体管相比，有以下优点： ① 输入阻抗高； ② 温度稳定性好； ③ 噪声小； ④ 大电流特性好； ⑤ 无少子存储效应，开关速度高； ⑥ 制造工艺简单； ⑦ 各管之间存在天然隔离，适宜于制作 VLSI 。 JFET 和 MESFET 的工作原理相同。以 JFET 为例，用一个低掺杂的半导体作为导电沟道，在半导体的一侧或两侧制作 PN 结，并加上反向电压。利用 PN 结势垒区宽度随反向电压的变化而变化的特点来控制导电沟道的截面积，从而控制沟道的导电能力。两种 FET 的不同之处仅在于，JFET 是利用 PN 结作为控制栅，而 MESFET 则是利用金- 半结（肖特基势垒结）来作为控制栅。 IGFET 的工作原理略有不同，利用电场能来控制半导体的表面状态，从而控制沟道的导电能力。 根据沟道导电类型的不同，每类 FET 又可分为 N 沟道器件 和P 沟道器件。 J - FET 的基本结构源、漏 MESFET 的基本结构———— 结型场效应晶体管(JFET) ————基本性能基本结构,特性曲线,直流参数,小信号参数, 频率参数,短沟道JFET,噪声特性,实际结构举例2☆ JFET的基本结构和工作原理 n 沟道JFET ~ 衬底是低阻n型; 2个对称的p+n结构成栅极; 中间留有沟道(长为L, 宽为W).工作 ~ [ 电压控制沟道的电阻 ] Rmin = L / [ qμn·ND· 2( a - x0 )·W ] 在平衡 (不加电压)时, 沟道电阻最小; 电压VDS和VGS都可改变栅结势垒宽度 → 改变沟道电阻 →从而改变 IDS .GnP+SL2aDWP+G3☆ JFET的输出特性 * 在VGS=0 和正常VDS 时~ 线性电阻段(A点) → 沟道夹断点(B点) →电流饱和段(C点) . * 在VDS 较大时~ 漏端栅结雪崩击穿, 源-漏击穿电压BVDS 随着反向VGS的增大 而下降. 对应于D点. 电流饱和机理: ①长沟道~沟道夹断; ②短沟道~速度饱和.夹断IDSDCIDsatBVGS = 0击穿A饱和GVGS 0D +- SVDSG0VDSatBVDS(沟道夹断)4☆ JFET的转移特性 * 最大饱和漏极电流 IDSS ~ G-S电压为0时, IDS ≠ 0, 而为 IDSS . * 夹断电压 VP ~当G-S电压为负(VGS 0 ) 时, 沟道变窄; 当VGS = VP 时, 沟道夹断, IDS = 0 . 根据栅p-n结耗尽层厚度等于沟道宽度, 得: VP ≈ - q ND a2 / (2εε0 ) ∝ ND a2 . * 由输出特性曲线可以求得在某一定 VDS 时的转移特性曲线. ☆ JFET的代表符号:IDSP沟耗尽型n沟耗尽型IDSSp沟增强型n沟增强型VGSVP05☆ JFET的直流伏安特性 * 沟道夹断前的ID ~ 在μn = 常数 和 缓变沟道近似(GCA)下, 有 ID =G0{VDS-(2/ 3a)√2εε0/qND [(VDS+Vbi-VGS)3/2-(Vbi -VGS)3/2 ]}, G0 = 2 a W qμn ND / L 是冶金学结之间沟道的电导(不计耗尽层). * 沟道夹断后的饱和电流IDsat ~ 把饱和电压VDSat代入到ID , 即得到 IDsat = IDSS {1 - 3(Vbi -VGS) / VP0 + 2 [(Vbi -VGS) / VP0]3/2 } ≈ IDSS [1- (Vbi -VGS) / VP0 ] 2 . 其中 IDSS是最大饱和漏极电流, VP = Vbi -VP0 ≈ -VP0 是夹断电压. * 线性区的 ID ~ (VDS Vbi-VGS ) ID ≈