JFET和MESFET的基本结构与工作原理半导体器件物理教学课件PPT.ppt

* Physics of Semiconductor Devices * Physics of Semiconductor Devices 结型场效应晶体管 金属-半导体效应晶体管 5.1 1、JFET的基本结构与工作过程 2、理想JFET的I-V特性 3、MESFET的基本结构与工作过程 4、JFET和MESFET的类型 5、异质结MESFET和HEMT Outline 结型场效应晶体管又称为PN结场效应晶体管。JFET基本上是一个电压控制的电阻，利用一个PN结作为栅极去控制电阻，从而实现对两个欧姆结之间的电流控制。其特点是只有多数载流子承担电流的输运，这种器件是单极器件。 一 JFET的基本结构与工作过程 重掺杂P＋层作为衬底。在 P＋衬底上外延生长轻掺杂的N型层。上边的重掺杂P＋层是通过向N型外延层中扩散硼形成的。器件的有源区夹在两个P＋层之间的N型层；有源层也称为导电沟道。上下两个P＋区不是被内连接就是被外连接以形成栅极端。连接在沟道两端的欧姆接触分别称为源极端和漏极端，通过它们流过沟道电流。源极发射载流子，漏端收集载流子。 1、基本结构 ① 标准平面外延－扩散工艺 标准平面外延－扩散工艺JFET 该技术通过扩散形成沟道和上栅。由于沟道掺入的是施主杂质，沟道电流由电子传输，这种器件称为N沟道JFET。若沟道是受主原子掺杂而栅区为N＋型，则沟道电流是由空穴传输，这种器件称为P沟道JFET。由于电子的迁移率比空穴的高，N沟道JFET能提供更高的电导和更高的速度，因而，在大多数应用中处于优先地位。 ② 双扩散工艺 双扩散工艺JFET 2、工作过程 在x=0处，栅PN结两边的电压为零，在x=L处，整个电压VD都加在PN结上。当电流从漏极沿沟道流向源极时，由于沟道电阻的存在，会在整个沟道产生电位降。使得在漏端空间电荷区向沟道内扩展得更深些。 （忽略接触电阻和体电阻） PN结反偏 当电压VD增加时，沟道得狭口变得更窄，沟道电阻进一步增大。随着漏端电压得增加，将会在x=L处的空间电荷区连通，且在连通区域内的自由载流子全部耗尽，即发生沟道夹断。 沟道夹断 沟道夹断时的漏电压称为饱和漏电压VDS。夹断以后再继续增加漏电压，夹断点将向源端移动，但由于夹断点电位保持为VP，所以漏电流不会显著增加，因而电流处于饱和而沟道电阻变得很大。 理想的漏极特性 夹断电压 3、JFET的特点 ① 电流传输主要由一种多数载流子承担，不存在少数载流子的贮存效应，有利于达到比较高的截止频率和快的开关速度。 是电压控制器件。其输入电阻比BJT高得多，因此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。 由于是多子器件，因此抗辐射能力强。 与BJT及MOS工艺兼容，有利于集成。 二 理想JFET的I-V特性 ① 单边突变结。 ② 沟道内杂质分布均匀。 ③ 沟道内载流子迁移率为常数。 忽略有源区以外源、漏区以及接触上的电压降，于是沟道长度为L。 ⑤ 缓变沟道近似，即空间电荷区内电场沿y方向，而中性沟道内的电场只有x分量。 ⑥ 长沟道近似：L2(2a)，于是W沿着L改变很小，可看作矩形沟道。 分析假设： 二维的电场和载流子的分布 良好的欧姆接触 沟道内空间电荷区逐渐变化 x 处耗尽层的宽度为： 沟道只有漂移电流，则： 电流流过的截面积为：2(a–W)Z 式中： 没有任何耗尽层时的沟道电导 理论和实验结果的差异可用串联电阻来解释 在夹断点，空间电荷区的宽度正好等于沟道的宽度，令W=a，且V–VG＝Vp，可得夹断电压为： Vp为达到夹断条件的外加电压，即夹断电压。 Vp0为夹断电压与自建电势差的总和，常称为内夹断电压。 三 MESFET的基本结构与工作过程 1、基本结构 半导体材料多选用GaAs。在半绝缘GaAs衬底上外延一层N-GaAs，以减小寄生电阻。肖特基势垒是和源、漏两极的欧姆接触一起用蒸发的方法在N型外延层顶面上形成的。金属-半导体接触工艺允许MESFET的沟道做得更短，从而有利于提高器件的开关速度和工作频率。 （肖特基势垒场效应晶体管） MESFET结构示意图 2、工作过程 VG=0时，MESFET的肖特基势垒可以穿透N-GaAs外延层达到半绝缘衬底，也可以没有达到绝缘衬底。 1、前者需要该耗尽层加上正向偏压，使耗尽层变窄，以致耗尽层的下边缘向N-GaAs层内回缩，离开半绝缘衬底，使得耗尽层下方和绝缘衬底之间形成导电沟道。称为常闭型或增强型MESFET。 2、后者在VG=0时就存在导电沟道，而欲使沟道夹断，则需给耗尽层加上负的栅偏压。称为常开型或耗尽型MESFET。