19 第五章 JFET和MESFET的基本结构与工作原理

PhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevices结型场效应晶体管金属-半导体效应晶体管5.1PhysicsofSemiconductorDevices1、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HEMTOutlinePhysicsofSemiconductorDevices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PhysicsofSemiconductorDevices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PhysicsofSemiconductorDevices标准平面外延－扩散工艺JFETPhysicsofSemiconductorDevices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PhysicsofSemiconductorDevices双扩散工艺JFETPhysicsofSemiconductorDevices2、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PhysicsofSemiconductorDevices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PhysicsofSemiconductorDevices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PhysicsofSemiconductorDevices3、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。②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。③由于是多子器件，因此抗辐射能力强。④与BJT及MOS工艺兼容，有利于集成。PhysicsofSemiconductorDevices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。④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：PhysicsofSemiconductorDevices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PhysicsofSemiconductorDevicesx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PhysicsofSemiconductorDevices理论和实验结果的差异可用串联电阻来解释PhysicsofSemiconductorDevices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。PhysicsofSemiconductorDevices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）PhysicsofSemiconductorDevicesMESFET结构示意图PhysicsofSemiconductorDevices2、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。PhysicsofSemiconductorDevices阈值电压：Vp=–VTHPhysicsofSemiconductorDevices四JFET和MESFET的类型JFET有增强型和耗尽型。耗尽型JFET指在栅偏压为零时就存在导电沟道，而欲使沟道夹断，必须给PN结施加方向偏压，使沟道载流子耗尽。增强型JFET同增强型MESFET一样，在栅偏压为零时，沟道是夹断的，只有外加正偏压，才能开始导电。PhysicsofSemiconductorDevicesPhysicsofSemiconductorDevices五异质结MESFET和HEMT典型的器件：各半导体层是利用分子束外延技术在100方向的半导体绝缘层磷化铟衬底上生长的。半导体层和磷化铟衬底具有良好的晶格匹配，使得界面陷阱密度很低。顶部的Al0.48In0.52As层和铝栅极形成肖特基势垒。沟道中的电子被限制在Ga0.47In0.53As有源层内。由于这一有源层载流子迁移率比GaAs的高，能获得较高的跨导和较高的工作速度。1、异质结MESFETPhysicsofSemiconductorDevices异质结MESFET的主要优点是工作速度快。PhysicsofSemiconductorDevices2、HEMT(electronmobility)称为高电子迁移率晶体管，是另一种类型的异质结MESFET。典型的器件：在不掺杂的GaAs衬底(i-GaAs)上，用外延技术生长一层薄的宽禁带的AlxGa1-xAs薄层(i-AlxGa1-xAs)，在i-AlxGa1-xAs层上再生长一层N+-AlxGa1-xAs。AlxGa1-xAs通常称为控制层，和金属栅极形成肖特基势垒，和GaAs层形成异质结。通过对栅极加正偏压，可以将电子引入异质结界面的GaAs层中。PhysicsofSemiconductorDevices2DEG控制层正向偏压2DEG：指电子（或空穴）被限制在平行于界面的平面内自由运动，而在垂直于界面的方向上受到限制。PhysicsofSemiconductorDevicesAlGaAs层的厚度和掺杂浓度决定器件的阈值电压，正常情况下使之完全耗尽。1、如果AlGaAs层较厚或掺杂浓度较高，则在栅压VG=0时，异质结界面处的GaAs表面的电子势阱内已有电子存在，MESFET是耗尽型。2、如果AlGaAs层较薄或掺杂浓度较低，栅压VG=0时耗尽层伸展到GaAs内部，势阱内没有电子，器件是增强型的。