半導(dǎo)體器件物理-JFET

1、西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué) XIDIDIAN UNIVERSITYXIDIDIAN UNIVERSITY第三章第三章 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 2022-4-121場(chǎng)效應(yīng)器件物理場(chǎng)效應(yīng)器件物理2022-4-12XIDIAN UNIVERSITY 3.0 引言引言 FETFET（Field Effect TransistorField Effect Transistor）pFET基本結(jié)構(gòu)原理：基本結(jié)構(gòu)原理：u半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道，阻值是受控的；半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道，阻值是受控的；u控制電極（柵電極）產(chǎn)生與溝道垂直方向上的控制電極（柵電極）產(chǎn)生與溝道垂直方向上的“電場(chǎng)電場(chǎng)”u上述電場(chǎng)上述電場(chǎng)“調(diào)

2、制調(diào)制”導(dǎo)電溝道的電導(dǎo)導(dǎo)電溝道的電導(dǎo)-場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)電）電子、或空穴）參與導(dǎo)（只有一種載流子（或）場(chǎng)效應(yīng)晶體管載流子同時(shí)參與導(dǎo)電）（電子和空穴兩種極性雙極性晶體管晶體管 TransistorEffect FET(Field BT2022-4-12XIDIAN UNIVERSITY3ppn-JFET pn Junction FETpMESFET Metal-Semiconductor FET (Schottly Barrier Gate)pMOSFET Metal- Oxide -Semiconductor FET u傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)：金屬鋁柵傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)：金屬鋁柵-SiO2-Si系統(tǒng)系統(tǒng)FETu典型結(jié)構(gòu)：高

3、摻雜多晶硅柵典型結(jié)構(gòu)：高摻雜多晶硅柵-SiO2-Si系統(tǒng)系統(tǒng)FETu新結(jié)構(gòu)：金屬硅化物柵新結(jié)構(gòu)：金屬硅化物柵-高高K介質(zhì)（絕緣層）介質(zhì)（絕緣層）-Si系統(tǒng)系統(tǒng)FETuIGFET： Insulator Gate FET，柵和半導(dǎo)體之間存在絕緣層，柵和半導(dǎo)體之間存在絕緣層(絕緣柵）絕緣柵）3.0 引言引言 FETFET分類分類電容柵：柵晶體管MOSMOSFET：肖特基 結(jié)MESFET結(jié)柵pn：JFET-pnFET場(chǎng)效應(yīng)3.1 JFET 主要內(nèi)容主要內(nèi)容p JFET的結(jié)構(gòu)和類型的結(jié)構(gòu)和類型p JFET的基本工作原理的基本工作原理u I-V特性的定性分析特性的定性分析u I-V特性的定量分析特性的定量

4、分析p JFET的幾個(gè)重要參數(shù)的幾個(gè)重要參數(shù)JFET結(jié)合結(jié)合n溝耗盡型溝耗盡型3.1 JFET n n溝耗盡型溝耗盡型JFETJFET結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)p柵（柵（Gate）：又稱控制柵，高摻雜）：又稱控制柵，高摻雜P+， P+區(qū)等電位區(qū)等電位p源（源（Source）：提供導(dǎo)電載流子）：提供導(dǎo)電載流子p漏（漏（Drain）：接受導(dǎo)電載流子）：接受導(dǎo)電載流子p溝道（溝道（Channel）：兩個(gè)）：兩個(gè)P+區(qū)耗盡層之間的半導(dǎo)體區(qū)區(qū)耗盡層之間的半導(dǎo)體區(qū)(n區(qū)區(qū))，導(dǎo)電通道，導(dǎo)電通道pL-溝道長度，溝道長度，W-溝道寬度，溝道寬度，d-溝道厚度，溝道厚度，2a-原始溝道厚度原始溝道厚度u加加VDS，載流子從源漂移

5、到漏，形成漏電流，載流子從源漂移到漏，形成漏電流IDu柵結(jié)偏壓柵結(jié)偏壓VGS則改變耗盡層厚度，從而調(diào)制溝道電導(dǎo)則改變耗盡層厚度，從而調(diào)制溝道電導(dǎo)P+N結(jié)：柵結(jié)結(jié)：柵結(jié)3.1 JFET 分類分類(1)(1)n溝道溝道pn-JFETn型溝道，電子導(dǎo)電型溝道，電子導(dǎo)電VDS0，使電子從源流到漏，使電子從源流到漏p溝道溝道pn-JFETp型溝道，空穴導(dǎo)電型溝道，空穴導(dǎo)電VDS0n溝道溝道耗盡型耗盡型pn-JFET零柵壓時(shí)已存在溝道，零柵壓時(shí)已存在溝道，VPN0u溝道為高阻材料，零柵壓時(shí)，柵結(jié)內(nèi)溝道為高阻材料，零柵壓時(shí)，柵結(jié)內(nèi)建電勢(shì)已使溝道完全耗盡而夾斷建電勢(shì)已使溝道完全耗盡而夾斷 p按照按照0柵壓時(shí)是

6、否存在溝道劃分：耗盡型，增強(qiáng)型柵壓時(shí)是否存在溝道劃分：耗盡型，增強(qiáng)型3.1 JFET 分類分類(3)(3)p溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型pn-JFET零柵壓時(shí)不存在反型溝道，零柵壓時(shí)不存在反型溝道，VTP03.1 JFET I-VI-V特性定性分析特性定性分析pp+n結(jié)，耗盡層（勢(shì)壘區(qū)）寬度結(jié)，耗盡層（勢(shì)壘區(qū)）寬度W與外加偏置電壓與外加偏置電壓Vpn（反偏：（反偏：Vpn為負(fù)）為負(fù)）關(guān)系：關(guān)系：uW與與Vpn之間有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，無論知道其中哪一個(gè)量，就唯一確定另之間有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，無論知道其中哪一個(gè)量，就唯一確定另一個(gè)量。一個(gè)量。p注意電壓下標(biāo)字母前后順序的含義以及表示的電壓之間關(guān)系注意電壓下標(biāo)字母前

7、后順序的含義以及表示的電壓之間關(guān)系 如：如：VDG = VDS+VSG = VDS-VGSdbieNVV)(2WpnVGS0SDGGP+nP+柵結(jié)：柵結(jié)：p+n結(jié)結(jié)3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析p偏置特點(diǎn)：偏置特點(diǎn)：VGS=0P+型柵區(qū)均為型柵區(qū)均為0電位，溝道存在電位，溝道存在VDS0，u有電流有電流IDu導(dǎo)電溝道形狀：源端溝道截面積最大，從源到漏不斷減小導(dǎo)電溝道形狀：源端溝道截面積最大，從源到漏不斷減小溝道中溝道中X點(diǎn)從源到漏，柵結(jié)反偏壓點(diǎn)從源到漏，柵結(jié)反偏壓VXS增加增加(VDS0)，源端源端PN結(jié)結(jié)0偏，近漏端偏，近漏端PN結(jié)反偏，漏端反偏壓最大

8、結(jié)反偏，漏端反偏壓最大為柵結(jié)反偏壓柵結(jié)偏壓有電勢(shì)差點(diǎn)相對(duì)于降落在溝道上，溝道方向上任一點(diǎn)XSXSXSGSSXGSGXXSDSVVVVVVVVSXVX0, 0,n溝道溝道耗盡型耗盡型pn-JFET：0柵壓溝道存在柵壓溝道存在XoVDS 很小很小 ID VDS（線性區(qū)（線性區(qū)）VDS 很小很小溝道方向溝道厚度不相等的現(xiàn)象很不明顯溝道方向溝道厚度不相等的現(xiàn)象很不明顯 溝道相當(dāng)于是一個(gè)截面積均勻的電阻溝道相當(dāng)于是一個(gè)截面積均勻的電阻 源漏電流源漏電流ID隨隨VDS幾乎是線性增加幾乎是線性增加 ID VDS（線性區(qū)）（線性區(qū)）3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析oVDS

9、 ID隨隨VDS增加的趨勢(shì)減慢，偏離直線增加的趨勢(shì)減慢，偏離直線(過渡區(qū)過渡區(qū))VDS溝道方向溝道厚度不相等的現(xiàn)象逐步表現(xiàn)溝道方向溝道厚度不相等的現(xiàn)象逐步表現(xiàn) 近漏端近漏端pn結(jié)耗盡層加寬，即溝道變窄結(jié)耗盡層加寬，即溝道變窄 溝道等效電阻溝道等效電阻 ID隨隨VDS增加的趨勢(shì)減慢，偏離直線增加的趨勢(shì)減慢，偏離直線3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析oVDS增加增加 “夾斷夾斷”（Pinchoff） VDS柵漏結(jié)反偏壓增加?xùn)怕┙Y(jié)反偏壓增加漏端溝道厚度剛好減小到零，漏端溝道夾斷漏端溝道厚度剛好減小到零，漏端溝道夾斷u相應(yīng)相應(yīng)VDS和和ID分別為漏源飽和電壓分別為漏

10、源飽和電壓VDS(sat)和飽和漏電流和飽和漏電流IDsatp夾斷點(diǎn)夾斷點(diǎn):溝道厚度剛好等于溝道厚度剛好等于0的點(diǎn)的點(diǎn)u夾斷點(diǎn)的柵結(jié)偏壓是一定的（使耗盡層厚度夾斷點(diǎn)的柵結(jié)偏壓是一定的（使耗盡層厚度h=原始溝厚原始溝厚a）u若若VGS不變，不管夾斷點(diǎn)在什么位置，則夾斷點(diǎn)與源之間的電位差（柵不變，不管夾斷點(diǎn)在什么位置，則夾斷點(diǎn)與源之間的電位差（柵結(jié)偏壓）都保持不變，為結(jié)偏壓）都保持不變，為VDS(sat)3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析DSDSGSGDVVVV柵結(jié)偏壓oVDS VDSsat ，器件進(jìn)入飽和區(qū)，器件進(jìn)入飽和區(qū) VDS漏端漏端pn結(jié)耗盡層進(jìn)一步擴(kuò)大

11、，夾斷點(diǎn)逐步向源端移動(dòng)結(jié)耗盡層進(jìn)一步擴(kuò)大，夾斷點(diǎn)逐步向源端移動(dòng)u原溝道區(qū)：導(dǎo)電溝道區(qū)原溝道區(qū)：導(dǎo)電溝道區(qū)+耗盡層夾斷區(qū)，電流被夾斷了嗎？耗盡層夾斷區(qū)，電流被夾斷了嗎？o電流連續(xù)性：電流連續(xù)性：u導(dǎo)電溝道區(qū)上的電勢(shì)差導(dǎo)電溝道區(qū)上的電勢(shì)差VDSsat使電子從源出發(fā)漂移到達(dá)夾斷點(diǎn)，立即被使電子從源出發(fā)漂移到達(dá)夾斷點(diǎn)，立即被漏極與夾斷點(diǎn)間耗盡層中強(qiáng)電場(chǎng)漏極與夾斷點(diǎn)間耗盡層中強(qiáng)電場(chǎng)(VDS-VDSsat產(chǎn)生產(chǎn)生) 掃向漏極，形成掃向漏極，形成IDuID大小由導(dǎo)電溝道區(qū)決定大小由導(dǎo)電溝道區(qū)決定3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析oID=IDsat：u夾斷點(diǎn)與源之間（導(dǎo)電溝

12、道區(qū)兩端）的電位差保持夾斷點(diǎn)與源之間（導(dǎo)電溝道區(qū)兩端）的電位差保持VDS(sat)不變不變u夾斷點(diǎn)與源間長度（有效溝長）夾斷點(diǎn)與源間長度（有效溝長）LL-L Lu長溝器件，長溝器件，L較長，較長， LL,有效溝長基本不變有效溝長基本不變, 溝道形狀不變，溝道形狀不變，導(dǎo)電溝道區(qū)的等效電阻近似不變導(dǎo)電溝道區(qū)的等效電阻近似不變電流維持為夾斷點(diǎn)時(shí)的電流維持為夾斷點(diǎn)時(shí)的IDsat不變不變p溝道長度調(diào)制效應(yīng)（短溝器件顯著）：溝道長度調(diào)制效應(yīng)（短溝器件顯著）：u短溝器件，短溝器件，L較短，夾斷點(diǎn)與源間長度的減小相對(duì)明顯，較短，夾斷點(diǎn)與源間長度的減小相對(duì)明顯，導(dǎo)電溝道區(qū)的等效電阻減小導(dǎo)電溝道區(qū)的等效電阻減小

13、IDS略有增加略有增加3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析oVDS再繼續(xù)增加再繼續(xù)增加擊穿區(qū)：擊穿區(qū)： VDS 使柵和漏極之間反偏電壓過大，導(dǎo)致使柵和漏極之間反偏電壓過大，導(dǎo)致pn結(jié)擊穿，結(jié)擊穿， 使使JFET進(jìn)入擊穿區(qū)。記這時(shí)電壓為進(jìn)入擊穿區(qū)。記這時(shí)電壓為BVDS0u 注意：實(shí)際上這時(shí)真正擊穿是由于注意：實(shí)際上這時(shí)真正擊穿是由于D-G之間電壓達(dá)到擊穿電壓之間電壓達(dá)到擊穿電壓BVDGu BVDS0= BVDG，柵漏結(jié)擊穿，柵漏結(jié)擊穿， BVDG一定一定3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析DSDSGSDSDGVVVVV03.1

14、JFET V VGSGS00的修正的修正p偏置特點(diǎn)：偏置特點(diǎn)：uVGS0，導(dǎo)電溝道形狀還是與零偏時(shí)一樣導(dǎo)電溝道形狀還是與零偏時(shí)一樣，沿溝道方向溝道截面積不沿溝道方向溝道截面積不斷減小斷減小，溝道均比零偏情況下溝道均比零偏情況下更更窄窄p修正修正1:u線性區(qū)：線性區(qū)：有效溝道電阻增加有效溝道電阻增加,曲線斜率在減小，曲線斜率在減小， ID比零偏情況小比零偏情況小p 修正修正2:u 飽和電壓：飽和電壓：u 擊穿電壓：擊穿電壓：越厲害越負(fù)，是定值，柵漏反偏壓漏端夾斷夾斷點(diǎn)：漏端溝道剛好)()()()(0satDSGSsatDsatDSGSsatDSGSGDGDVVIVVVVVVah3.1 JFET

15、V VGSGS00的修正的修正越負(fù)越負(fù)，一定，柵漏結(jié)擊穿，DSGSDSGSDSGSGDGDBVVBVVBVVBVBV03.1 JFET 夾斷電壓夾斷電壓 p夾斷電壓：溝道全夾斷時(shí)（夾斷電壓：溝道全夾斷時(shí)（h=a）的柵源電壓）的柵源電壓VGS ， 記為記為Vpu（耗盡器件（耗盡器件Vp）n溝，溝， Vp 0,使使n+p結(jié)反偏結(jié)反偏u（增強(qiáng)器件（增強(qiáng)器件VT）n溝，溝， VT 0,使使p+n結(jié)正偏；結(jié)正偏；p溝，溝， VT VDsat IDS(VGS-VP)2(1+VDS) 為溝道長度調(diào)制系數(shù)為溝道長度調(diào)制系數(shù),L/(LVDS)， 代表漏源電壓引起的溝道長度的相對(duì)變化率。代表漏源電壓引起的溝道長度

16、的相對(duì)變化率。u 截止區(qū)：截止區(qū)：VGSVP溝道完全消失，溝道完全消失， IDS02022-4-12XIDIAN UNIVERSITY3.2 JFET I IDSDS-V-VDSDS特性定量分析特性定量分析pJFET轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性u(píng)轉(zhuǎn)移特性：柵源電壓轉(zhuǎn)移特性：柵源電壓VGS對(duì)漏極電流對(duì)漏極電流ID的控制特性。的控制特性。通常用飽和區(qū)中的通常用飽和區(qū)中的ID-VGS關(guān)系表示。關(guān)系表示。uID-VGS表達(dá)式：由飽和區(qū)表達(dá)式：由飽和區(qū)IDS電流表達(dá)式可得電流表達(dá)式可得IDS(VGS-VP)2= =IDSS IDSS為柵壓為柵壓0V時(shí)的溝道漏電流時(shí)的溝道漏電流 22P)1 (VPGSVV2)1 (PGSVVp電壓控制器件：電壓控制器件：輸入電壓輸入電壓VGS調(diào)控溝道電阻，調(diào)控溝道電阻，控制控制IDS（BJT為電流控制器件）為電流控制器件）