第三章-结型场效应晶体管

微电子元器件与项目训练授课教师：余菲第3章结型场效应晶体管教师：余菲电子邮件：[e-mail]电话：[phone]微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]讨论主题：1.场效应晶体管介绍2.JFET工作原理3.JFET的直流特性微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]1.场效应晶体管介绍什么是场效应管?场效应晶体管【FieldEffectTransistor缩写(FET)】简称场效应管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件.DS电流电场微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]1965年，按照摩尔老先生在文章中提出，芯片上集成的晶体管数量大约每18个月就将翻一番。1971年，Intel发布了第一个微处理器4004。4004采用10微米工艺生产，仅包含2300多个晶体管，时钟频率为108KHz。微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]1974年，主频为2MHz的8位微处理器8080问世，它采用6微米工艺，集成了6000个晶体管。由于它采用了NMOS（N沟道MOS）电路，因此运算速度比8008快10倍，后者采用了PMOS（P沟道MOS）电路。之后，在1978年Intel又陆续推出了8086处理器，这时工艺已经缩减为3微米工艺，含2.9万个晶体管，频率有4.77MHz、8MHz和10MHz。到了1983年，Intel首次推出了新型处理器286，它含有13.4万个晶体管，频率为6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。随后1985年，推出了386处理器，含27.5万个晶体管，频率为16～33MHz，具备初级多任务处理能力）等处理器。1989年，Intel发布了486处理器。这款经过4年开发和3亿美金投入的处理器首次突破了100万个晶体管大关，主频也从25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz、66MHz，此时，处理器工艺已经全面采用了1微米工艺，并且在芯片内集成了125万个晶体管，这时芯片内的晶体管数量已经超过了Intel4004处理器内晶体管数量的五百倍。微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]直到1993年，采用800纳米的奔腾（Pentium）的出世，让CPU全面从微米时代跨入了纳米时代。奔腾含有310万个晶体管，代表型号有Pentium60（60MHz）和Pentium66（66MHz）。此后，Intel又推出了奔腾75MHz～120MHz，制造工艺则提高到500纳米，此后CPU发展直接就跳转至350nm工艺时代。PentiumMMX,Intel于1996年发明在0.35微米工艺的帮助下，工作频率突破了200MHz微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]0.35um0.25um0.18um1997-2002（.35&.25&.18时代）微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]0.13um2002年0.045um2008年0.09um微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]双极型晶体管和场效应晶体管的异同：对比双极和FET:速度,功耗,应用,工艺水平,控制方式(电压/电流).微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]场效应管的分类:场效应管分结型、绝缘栅型(MOS)两大类按沟道材料:结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种.按导电方式:耗尽型与增强型,结型场效应管均为耗尽型,绝缘栅型场效应管既有耗尽型的,也有增强型的。微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]2.基本原理SDG理想对称结构结型场效应晶体管JFETJ:junctionF:fieldE:effectT:transistorMetalP+-SiN-SiN+-Si微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]沟道JFET正常状态下的偏置方式P+NP+G微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]/mAVDS/V非饱和区饱和区击穿区VGS=0abcVDSat微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]/mAVGS/VVPIDSS转移特性与输出特性密切相关N管：VP0P管：VP0当VGS=VP沟道被夹断0.7微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]=0VDS很小SDP+NP+G微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]+NP+GPVGS=0VDS=VDSatD微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]=0VDSVDSatSDP+NP+GP微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]3.直流特性1.PN节空间电荷区宽度和电压关系2.开始导通和饱和的原理定义夹断电压:在源漏电压为0时,使沟道完全闭合的电压qNVXD02022aqNVDp微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]导通栅源阈值电压:饱和漏源电压:022aqNVVVDPTGS020222aqNVVVVVaqNVVVVDGSPGSDsatDSDPDSGSGDDsatVTV微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]饱和区工作条件:02020202022222.22.1aqNVVaqNaqNVVaqNVVVVVaqNVVVDDSGSDDDSGSDGSDSPGSDSDGSTGS微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]非饱和区工作条件:DSDGSDDSGSDGSDSPGSDSDGSTGSVaqNVaqNVVaqNVVVVVaqNVVV02020202222.22.1微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]非饱和区电流公式：232300232GSDGSDDSDDSDVVVVVqNaVGILNaWqGDn20其中是两个冶金结间形成沟道之电导VD是结接触电势差2lniDADnNNqkTV微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]饱和电流公式：2100231PGSBJPGSBJDSSDsatVVVVVVIILNWqaIDnDSS02233其中是最大饱和漏极电流是本征夹断电压，漏源电压为零时栅结耗尽层穿通整个沟道所需的栅源电位差0202aqNVDP微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]最大饱和电流：LNWqaIDnDSS022330BJGSVV节压降为PNVBJ:微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]212121001GSBJGSBJDSPmVVVVVVGg跨导定义：非饱和区跨导：21001PGSBJmsVVVGg饱和区跨导：LWqNaGgDnm20max最大饱和区跨导：常数DSVGSDSmVIg微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]最小沟道电阻Rmin0min12)(2GaWNqLWxaNqLRIVRDnDDnDSDS时〉，当00DSGSVV微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]从输出特性看几个参数IDS/mAVDS/V非饱和区饱和区击穿区VGS=0abcVDSat=7vVGS=-1VGS=-2VGS=-3微电子专业核心课程教师：余菲电话：[phone]mail：[e-mail]总结对比双极晶体管和场效应晶体管理解JFET的工作原理掌握JFET工作在不同区域的条件，以及夹断电压的定义了解JFET的电流公式，饱和电流公式，最大饱和电流公式，最大跨导公式（电阻），以及影响它们的条件