半导体物理器件-Chapter优秀PPT.ppt

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1、JFETJFET和和MESFETMESFET5.1JFET的基本结构和工作过程的基本结构和工作过程1.JFET的基本结构的基本结构图图5-1由两种工艺制成的由两种工艺制成的沟道沟道JFET（a）外延）外延扩散工艺扩散工艺（b）双扩散工艺）双扩散工艺源极源极SourceS漏极漏极DrainD栅极栅极GateG：上栅、下栅上栅、下栅JFETJFET和和MESFETMESFET2.工作原理工作原理 场效应场效应：半导体的电导率被垂直于半导体表面的电场调制的效应叫做场效应：半导体的电导率被垂直于半导体表面的电场调制的效应叫做场效应。图图5-2的的JFET：（：（a），（，（b）=，（，（c）理想的漏极

2、特性理想的漏极特性5.1JFET的基本结构和工作过程的基本结构和工作过程JFETJFET和和MESFETMESFETJFET的几个突出的特点的几个突出的特点:JFET的的电电流流传传输输主主要要由由一一种种型型号号的的载载流流子子-多多数数载载流流子子担担当当，不不存存在在少少数数载流子的贮存效应，因此有利于达到比较高的截止频率和快的开关速度。载流子的贮存效应，因此有利于达到比较高的截止频率和快的开关速度。JFET是是电电压压限限制制器器件件。它它的的输输入入电电阻阻要要比比BJT的的高高得得多多，因因此此其其输输入入端端易易于与标准的微波系统匹配，在应用电路中易于实现级间干脆耦合。于与标准的

3、微波系统匹配，在应用电路中易于实现级间干脆耦合。由于是多子器件，因此抗辐射实力强。由于是多子器件，因此抗辐射实力强。与与BJT及及MOS工艺兼容，有利于集成。工艺兼容，有利于集成。5.1JFET的基本结构和工作过程的基本结构和工作过程JFETJFET和和MESFETMESFET教学要求教学要求简述简述JFET的基本工作原理。的基本工作原理。为什么说为什么说JFET事实上是一个电压限制的电阻。事实上是一个电压限制的电阻。熟悉沟道夹断、漏电流饱和、夹断电压等概念。熟悉沟道夹断、漏电流饱和、夹断电压等概念。5.1JFET的基本结构和工作过程的基本结构和工作过程JFETJFET和和MESFETMESF

4、ET5.2志向志向JFET的的I-V特性特性1.志向的志向的JFET基本假设及其意义基本假设及其意义单边突变结：单边突变结：SCR在轻掺杂一侧在轻掺杂一侧沟道内杂质分布匀整：无内建电场，载流子分布匀整，无扩散运动。沟道内杂质分布匀整：无内建电场，载流子分布匀整，无扩散运动。沟道内载流子迁移率为常数；沟道内载流子迁移率为常数；忽视有源区以外源、漏区以及接触上的电压降，于是沟道长度为忽视有源区以外源、漏区以及接触上的电压降，于是沟道长度为L；缓变沟道近似，即空间电荷区内电场沿缓变沟道近似，即空间电荷区内电场沿y方向，而中性沟道内的电场只有方向，而中性沟道内的电场只有X方向上方向上的重量：二维问题化

5、为一维问题。的重量：二维问题化为一维问题。长沟道近似：长沟道近似：L2a，于是，于是W沿着沿着L变更很小，看作是矩形沟道。变更很小，看作是矩形沟道。JFETJFET和和MESFETMESFET2.夹断前的电流电压特性夹断前的电流电压特性JFET中中x处耗尽层宽度为处耗尽层宽度为(5-1)(5-2)漏漏极极电电流流为电为电流流流流过过的截面的截面积积。(5-3)5.2志向志向JFET的的I-V特性特性JFETJFET和和MESFETMESFET(5-4)式中式中(5-5)5.2志向志向JFET的的I-V特性特性JFETJFET和和MESFETMESFET图图5-4的硅的硅N沟道沟道JFET电流电

6、流 电压特性：电压特性：（a）的式（的式（5-4）的理论曲线，（）的理论曲线，（b）实验结果实验结果5.2志向志向JFET的的I-V特性特性JFETJFET和和MESFETMESFET沟道夹断与夹断电压沟道夹断与夹断电压：（5-6）式中式中为夹断电压。常称为夹断电压。常称为内夹断电压。由式（为内夹断电压。由式（5-6）可见，夹断电压仅）可见，夹断电压仅由器件的材料参数和结构参数决定，是器件的固有参数。由器件的材料参数和结构参数决定，是器件的固有参数。在夹断点，令（在夹断点，令（5-1）式中）式中以及以及，可求得夹断电压：，可求得夹断电压：5.2志向志向JFET的的I-V特性特性JFETJFET

7、和和MESFETMESFET例例N沟道沟道JFET有：有：以及以及。求：（求：（a）夹断电压夹断电压和和，（，（b）在栅极和源极两在栅极和源极两者接地时，者接地时，的漏极电流。的漏极电流。解：解：5.2志向志向JFET的的I-V特性特性JFETJFET和和MESFETMESFET教学要求教学要求驾驭志向驾驭志向JFET的基本假设及其意义。的基本假设及其意义。了解夹断前了解夹断前JFET的的IV特性方程（特性方程（5-4）。）。深化理解沟道夹断和夹断电压的含义。依据公式深化理解沟道夹断和夹断电压的含义。依据公式（5-6）理解夹断电压仅由器件的材料参数和结构参数确定，是器件的固有参数。理解夹断电压

8、仅由器件的材料参数和结构参数确定，是器件的固有参数。以及以及“在夹断点夹断电压相等在夹断点夹断电压相等”一语的依据。一语的依据。5.2志向志向JFET的的I-V特性特性JFETJFET和和MESFETMESFET5.3静态特性静态特性（5-8）令令,（5-4）式中的第二项：）式中的第二项：（5-7）1.线性区线性区把（把（5-7）式代入（）式代入（5-4）式并简化，得到）式并简化，得到上式表明，漏极电流对漏极电压的确是线性依靠关系。上式表明，漏极电流对漏极电压的确是线性依靠关系。（5-8）式也反映出栅极电压对）式也反映出栅极电压对I-V曲线斜率的明显影响。曲线斜率的明显影响。JFETJFET和

9、和MESFETMESFET可见，夹断电压由栅电压和漏电压共同确定。对于不同的栅电压来说，为可见，夹断电压由栅电压和漏电压共同确定。对于不同的栅电压来说，为达到夹断条件所须要的漏电压是不同的。达到夹断条件所须要的漏电压是不同的。在图在图5-4a中把（中把（5-9）式绘成曲线，称为夹断曲线。超出夹断曲线的电流）式绘成曲线，称为夹断曲线。超出夹断曲线的电流电压特性称为饱和区，这是漏极电流是饱和的。电压特性称为饱和区，这是漏极电流是饱和的。（5-9）（5-10）2.饱和区饱和区在夹断点首先发生在漏端，漏极和栅极上的偏置电压的大小满足条件在夹断点首先发生在漏端，漏极和栅极上的偏置电压的大小满足条件把（把

10、（5-9）式代入（）式代入（5-4）式，导出饱和漏极电流）式，导出饱和漏极电流：5.3静态特性静态特性JFETJFET和和MESFETMESFET（5-11）式中式中表示栅极电压为零（即栅源短路）时的漏极饱和电流。表示栅极电压为零（即栅源短路）时的漏极饱和电流。（5-10）式式称称为为JFET的的转转移移特特性性，并并绘绘于于图图5-5中中。在在图图5-5中中，还还画画出出了了抛物线抛物线5.3静态特性静态特性试验发觉，即使在试验发觉，即使在y方向为随意非匀方向为随意非匀整的杂质分布，全部的转移特性都落整的杂质分布，全部的转移特性都落在图在图5-5中所示的两条曲线之间。中所示的两条曲线之间。在

11、放大应用当中，通常工作在饱在放大应用当中，通常工作在饱和区，并且在已知栅电压信号时，可和区，并且在已知栅电压信号时，可利用转移特性求得输出的漏极电流利用转移特性求得输出的漏极电流JFETJFET和和MESFETMESFET（5-9）教学要求教学要求JFET的夹断曲线的意义：的夹断曲线的意义：驾驭线性区条件：驾驭线性区条件：驾驭线性区驾驭线性区IV特性：公式（特性：公式（5-8）驾驭饱和区条件：驾驭饱和区条件：驾驭饱和区驾驭饱和区IV特性：公式（特性：公式（5-10）5.3静态特性静态特性JFETJFET和和MESFETMESFET5.4小信号参数和等效电路小信号参数和等效电路JFET所包含的电

12、学属性所包含的电学属性：图图5-7具有源电阻和漏电阻的具有源电阻和漏电阻的JEFTJFETJFET和和MESFETMESFET（5-12）式（式（5-12）由（）由（5-8）式对漏电压求导得到（对于）式对漏电压求导得到（对于）。）。可见可见JFET是一个电压控制的可变电阻。是一个电压控制的可变电阻。（5-13）1.线性区漏极导纳：定义为：线性区漏极导纳：定义为：2.线性区跨导：定义为：线性区跨导：定义为：式（式（5-13）由（）由（5-8）式对）式对求导得到。求导得到。5.4小信号参数和等效电路小信号参数和等效电路JFETJFET和和MESFETMESFET（5-14）栅极漏泄电流用栅极漏泄电

13、流用和和表示它们是表示它们是P-N结反向饱和电流结反向饱和电流 产生电流和表产生电流和表面漏泄电流的总和。在平面面漏泄电流的总和。在平面JFET型中，表面漏泄电流的成分通常很小。型中，表面漏泄电流的成分通常很小。在一般器件中，栅极漏泄电流的数值在在一般器件中，栅极漏泄电流的数值在之间，由此得到的输之间，由此得到的输入阻抗大于入阻抗大于108。所以说。所以说JFET是高输入阻抗的电压控制器件。是高输入阻抗的电压控制器件。3.饱和跨导：定义为饱和跨导：定义为在饱和区，公式（在饱和区，公式（5-14）由式（）由式（5-10）对求导得到。）对求导得到。4.栅极漏泄电流：栅极漏泄电流：5.4小信号参数和

14、等效电路小信号参数和等效电路JFETJFET和和MESFETMESFET线性输出导纳等于饱和跨导。典型的跨导的试验曲线绘于图线性输出导纳等于饱和跨导。典型的跨导的试验曲线绘于图5-6中。中。图图5-6跨导的理论曲线和试验曲线跨导的理论曲线和试验曲线5.4小信号参数和等效电路小信号参数和等效电路JFETJFET和和MESFETMESFET（5-22）（5-23）5.栅极电容：栅极电容：栅和沟道之间的栅和沟道之间的P-N结在反偏压下所具有的结电容。则栅极总电容结在反偏压下所具有的结电容。则栅极总电容可以用下式表示可以用下式表示为平均耗尽层宽度为平均耗尽层宽度为每个结的面积为每个结的面积因子因子2是

15、考虑了两个是考虑了两个P-N结的贡献结的贡献在在，并处于夹断条件时，并处于夹断条件时，因而，夹断时的栅电容为：，因而，夹断时的栅电容为：为简化设计，往往用两个集总电容，即栅一漏电容为简化设计，往往用两个集总电容，即栅一漏电容和栅一源电容和栅一源电容来表示，而不管栅电容的实际分布性质如何。来表示，而不管栅电容的实际分布性质如何。5.4小信号参数和等效电路小信号参数和等效电路JFETJFET和和MESFETMESFET7.源、漏串联电阻源、漏串联电阻和和。6.器件封装电容：器件封装电容：器件封装在漏和源两端引起的小电容器件封装在漏和源两端引起的小电容。8.漏极电阻漏极电阻它表示了漏电流的不饱和性，

16、是由沟道长度的调制引起的（在以后探讨）。它表示了漏电流的不饱和性，是由沟道长度的调制引起的（在以后探讨）。5.4小信号参数和等效电路小信号参数和等效电路JFETJFET和和MESFETMESFET简简化化的的等等效效电电路路绘绘于于图图5-9中中，对对于于大大多多应应用用，这这种种简简洁洁的的电电路路已已经经足足够够。对对于于低频的运用，电容可以忽视不计。低频的运用，电容可以忽视不计。图图5-8小信号等效电路小信号等效电路图图5-9简化的小信号等效电路简化的小信号等效电路5.4小信号参数和等效电路小信号参数和等效电路JFETJFET和和MESFETMESFET教学要求教学要求结结合合图图5.7

17、分分析析JFET所所包包含含的的电电学学属属性性，从从中中总总结结出出：线线性性区区漏漏极极导导纳纳、线线性性区区跨跨导导、饱饱和和跨跨导导、栅栅极极漏漏泄泄电电流流、栅栅极极电电容容、器器件件封封装装电电容容、源源、漏漏串串联联电电阻和阻和漏极电阻等。漏极电阻等。分析上述电学参数和沟通小信号参数所代表的物理意义。分析上述电学参数和沟通小信号参数所代表的物理意义。绘出简化的沟通小信号等效电路图绘出简化的沟通小信号等效电路图5.9。5.4小信号参数和等效电路小信号参数和等效电路JFETJFET和和MESFETMESFET5.5JFET的截止频率的截止频率截止频率截止频率:不能再放大输入信号的最高

18、频率。不能再放大输入信号的最高频率。（5-24）（5-26）接受图接受图5-9所示的等效电路，考虑输出短路的情形，当通过输入电容的电流与所示的等效电路，考虑输出短路的情形，当通过输入电容的电流与输出的漏极电流相等时，达到增益为输出的漏极电流相等时，达到增益为1（不再放大）的条件。（不再放大）的条件。输入电流：输入电流：输出电流：输出电流：截止频率：截止频率：(5-25)JFETJFET和和MESFETMESFET讨论：讨论：在（在（5-26）式中）式中的项等于的项等于，因而，因而为夹断电压所为夹断电压所决定。在考虑最高频率时，通常这一项无法调节。（决定。在考虑最高频率时，通常这一项无法调节。（

19、5-26）式中其它可调节的）式中其它可调节的量为迁移率和沟道长度。为了实现最好的高频性能，要有高的迁移率和短的量为迁移率和沟道长度。为了实现最好的高频性能，要有高的迁移率和短的沟道长度沟道长度。并令并令得到的。得到的。（5-26）式中最后的结果是利用了（）式中最后的结果是利用了（5-23）式）式和（和（5-5）式）式5.5JFET的截止频率的截止频率JFETJFET和和MESFETMESFET教学要求教学要求驾驭概念：截止频率驾驭概念：截止频率导出截止频率公式（导出截止频率公式（5-26）了解实现高频性能的途径：高的迁移率和短的沟道长度。了解实现高频性能的途径：高的迁移率和短的沟道长度。5.5

20、JFET的截止频率的截止频率JFETJFET和和MESFETMESFET5.6夹断后的夹断后的JFET的性能的性能图图5-10夹断后的沟道长度调制夹断后的沟道长度调制 1.沟道长度调制效应沟道长度调制效应沟道夹断之后，漏极电压进一步增加时，耗尽区的长度增加，电中性沟道夹断之后，漏极电压进一步增加时，耗尽区的长度增加，电中性的沟道长度减小。这种现象称为沟道长度调制。的沟道长度减小。这种现象称为沟道长度调制。JFETJFET和和MESFETMESFET在沟道中心，电中性的沟道区承受电压在沟道中心，电中性的沟道区承受电压，耗尽的沟道区承受电压，耗尽的沟道区承受电压。由由于于被被减减短短的的电电中中性

21、性沟沟道道长长度度承承受受着着同同样样的的，而而沟沟道道长长度度减减少少了了，因因而而，对对于于夹夹断断后后的的任任何何漏漏极极电电压压，都都会会使使漏漏极极电电流流略略有有增增加加。由由于于这这个个原原因因，夹断后的漏极电流不是饱和的，且漏极电阻为有限。夹断后的漏极电流不是饱和的，且漏极电阻为有限。5.6夹断后的夹断后的JFET的性能的性能JFETJFET和和MESFETMESFET（5-27）式中新的沟道长度式中新的沟道长度承受夹断电压承受夹断电压。由于在夹断点由于在夹断点（夹断电压）不变，所以（夹断电压）不变，所以2.饱和区的漏极电阻饱和区的漏极电阻夹断后的漏极电流可通过修改（夹断后的漏

22、极电流可通过修改（5-10）式求得）式求得5.6夹断后的夹断后的JFET的性能的性能JFETJFET和和MESFETMESFET（5-29）（5-30）（5-31）夹断后被耗尽的沟道长度增加了夹断后被耗尽的沟道长度增加了假设被耗尽的沟道向源端扩展与向漏端的扩展相等，假设被耗尽的沟道向源端扩展与向漏端的扩展相等，夹断时小信号漏极电阻近似地用漏极电流夹断时小信号漏极电阻近似地用漏极电流电压特性的斜率表示：电压特性的斜率表示：5.6夹断后的夹断后的JFET的性能的性能JFETJFET和和MESFETMESFET例题：例题：考虑考虑5-2节例题中的节例题中的JFET。求出求出和和时的漏极电阻。时的漏极

23、电阻。解：解：取取作为作为V-I曲线上的两点供计算。求得曲线上的两点供计算。求得5.6夹断后的夹断后的JFET的性能的性能例例N沟道沟道JFET有：有：以及以及。求：（求：（a）夹断电压夹断电压和和，（，（b）在栅极和源极两在栅极和源极两者接地时，者接地时，的漏极电流。的漏极电流。JFETJFET和和MESFETMESFET其中用了其中用了在在在在式（式（531）可改写成）可改写成5.6夹断后的夹断后的JFET的性能的性能JFETJFET和和MESFETMESFET3.漏极击穿漏极击穿随着漏极电压的增加，会导致栅随着漏极电压的增加，会导致栅沟道二极管发生雪崩击穿，这是漏电流突沟道二极管发生雪崩

24、击穿，这是漏电流突然增加所致。如绘于图然增加所致。如绘于图5-11中的情形。击穿发生在沟道的漏端，因为那里有中的情形。击穿发生在沟道的漏端，因为那里有最高的反向偏压。此击穿电压可用下式表示最高的反向偏压。此击穿电压可用下式表示（5-32）式式中为击穿时的漏电压。中为击穿时的漏电压。5.6夹断后的夹断后的JFET的性能的性能JFETJFET和和MESFETMESFET导出夹断后沟道长度公式（导出夹断后沟道长度公式（5-30）了解小信号漏极电阻的定义公式（了解小信号漏极电阻的定义公式（5-31）通过例题驾驭小信号漏极电阻的计算方法。通过例题驾驭小信号漏极电阻的计算方法。了解了解JFET的漏极击穿及

25、其机制。的漏极击穿及其机制。教学要求教学要求说明沟道长度调制效应。说明沟道长度调制效应。为什么夹断后漏电流可以写做：为什么夹断后漏电流可以写做：5.6夹断后的夹断后的JFET的性能的性能JFETJFET和和MESFETMESFET5.7金属金属半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管实际的实际的MESFET是利用半绝缘的是利用半绝缘的GaAs衬底上的一层外延层制造的。以减小寄生衬底上的一层外延层制造的。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型外延层型外延层顶面上形成的。顶面上形成的。1.MESFET的基本结构

26、的基本结构图图5-12MESFET的的俯俯视图视图JFETJFET和和MESFETMESFET常闭型或增强型：常闭型或增强型：时时MESFET的肖特基势垒穿透了的肖特基势垒穿透了外延层外延层达到绝缘衬底，因此不出现导电沟道。工作时需要给耗尽层加上正向偏压，达到绝缘衬底，因此不出现导电沟道。工作时需要给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使耗尽层变窄，以致耗尽层的下边缘向层内回缩，离开半绝缘衬层内回缩，离开半绝缘衬底，使得在耗尽层下方和绝缘体衬底之间形成导电沟道。底，使得在耗尽层下方和绝缘体衬底之间形成导电沟道。2.MESFET的两种类型的两种类型5.7金属金属半导体场效应晶体

27、管半导体场效应晶体管JFETJFET和和MESFETMESFET常开型或耗尽型：常开型或耗尽型：时时MESFET的肖特基势垒没有达到半绝缘衬底。的肖特基势垒没有达到半绝缘衬底。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。压。由于由于MESFET与与JFET工作原理相同，因此，前面几节对工作原理相同，因此，前面几节对JFET所给出的理所给出的理论的公式，都适合于论的公式，都适合于MESFET。不过对于增强型。不过对于增强型MESFET，（，（5-6）式中的式中的通通常换成常换成。称为阈值电压。显然称为阈值电压。显然总是正

28、的。此外，由于总是正的。此外，由于MESFET无下沟道，因此其漏电流应是（无下沟道，因此其漏电流应是（5-4）式中的一半。）式中的一半。JFETJFET和和MESFETMESFET教学要求教学要求驾驭驾驭MESFET的基本结构和工作原理。的基本结构和工作原理。了解了解MESFET的突出特点。的突出特点。了解了解MESFET的两种类型：的两种类型：试导出增加型试导出增加型MESFET的的I-V特性。特性。5.7金属金属半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管JFETJFET和和MESFETMESFET5.8JFET和和MESFET的类型的类型耗耗尽尽（depletion）型型：栅栅偏偏压压为为零零时

29、时就就存存在在导导电电沟沟道道，而而欲欲使使沟沟道道夹夹断断，必必需需施加反向偏压，使沟道内载流子耗尽（常开型施加反向偏压，使沟道内载流子耗尽（常开型normallyon）。）。增增加加（enhancement）型型：栅栅偏偏压压为为零零时时，沟沟道道是是夹夹断断的的，只只有有外外加加正正偏偏压压时时，才能起先导电（常闭型才能起先导电（常闭型normallyoff）。）。N-沟耗尽（沟耗尽（depletion）型、）型、N-沟增加（沟增加（enhancement）型）型P-沟耗尽（沟耗尽（depletion）型、）型、P-沟增加（沟增加（enhancement）型）型JFETJFET和和MES

30、FETMESFET5.8JFET和和MESFET的类型的类型JFETJFET和和MESFETMESFET5.9异质异质MESFET结和结和HEMT顶部的顶部的层和铝栅极形成肖特基势垒（层和铝栅极形成肖特基势垒（），若用），若用Al直接和有源层接触，势垒太低。直接和有源层接触，势垒太低。层层称称为为有有源源层层，沟沟道道中中的的电电子子被被限限制制在在该该层层内内。这这一一有有源源层层载载流流子子迁移率比迁移率比GaAs的高，所以能获得较高的跨导和较高的工作速度。的高，所以能获得较高的跨导和较高的工作速度。1.异质结异质结MESFET异质结异质结MESFET的主要优点是工作速度快，称为快速晶体管

31、。的主要优点是工作速度快，称为快速晶体管。各各半半导导体体层层是是利利用用分分子子束束外外延延技技术术在在方方向向的的半半绝绝缘缘磷磷化化铟铟衬衬底底上上生生长长的的。半半导导体体层层和和磷磷化化铟铟衬衬底底具具有有良良好好的的晶晶格格匹匹配配。这这使使界界面面陷陷阱阱密度很低。图密度很低。图5-14b是热平衡时的能带图。是热平衡时的能带图。JFETJFET和和MESFETMESFET图图5-14（a）双异质结双异质结MESFET的截面图的截面图5.9异质异质MESFET结和结和HEMTJFETJFET和和MESFETMESFET下图是热平衡时的能带图下图是热平衡时的能带图图图5-14（b）热

32、平衡时的能带图热平衡时的能带图5.9异质异质MESFET结和结和HEMTJFETJFET和和MESFETMESFET2.HEMT叫作高电子迁移率晶体管，它是另一种类型的异质结。基本结构如图叫作高电子迁移率晶体管，它是另一种类型的异质结。基本结构如图5-15a所示。所示。5.9异质异质MESFET结和结和HEMTJFETJFET和和MESFETMESFET基本结构：基本结构：在不掺杂的在不掺杂的衬底上外延生长一衬底上外延生长一的宽禁带的的宽禁带的层层；在在层层上上再再生生长长一一层层控控制制层层，它它和和金金属栅极形成肖特基势垒，和属栅极形成肖特基势垒，和层形成异质结。层形成异质结。层层的的厚厚

33、度度和和掺掺杂杂浓浓度度（典典型型值值为为数数十十和和）决决定器件的阈值电压。定器件的阈值电压。5.9异质异质MESFET结和结和HEMTJFETJFET和和MESFETMESFET工作原理：工作原理：（1）通通过过对对栅栅极极加加正正向向偏偏压压，可可以以将将电电子子引引入入异异质质结结界界面面处处的的层层GaAs中中。如如果果AlGaAs层层较较厚厚或或者者掺掺杂杂浓浓度度较较高高，则则栅栅压压时时，异异质质结结界界面面处处的的GaAs表表面面的的电电子子势势阱阱内内已已经经有有电电子子存存在在,MESFET是是耗耗尽尽型型的的；相相反反，如如果果AlGaAs层层较较薄薄或或者者掺掺杂杂浓

34、浓度度较较低低，时时耗耗尽尽层层伸伸展展到到GaAs内内部部，势势阱内没有电子，器件是增强型的。阱内没有电子，器件是增强型的。（2）AlGaAs禁带宽度比禁带宽度比GaAs的大，它们形成异质结时，导带边不连续。的大，它们形成异质结时，导带边不连续。AlGaAs的导带边比的导带边比GaAs的高的高，结果电子从，结果电子从AlGaAs向向GaAs转移引起界转移引起界面处能带弯曲，在面处能带弯曲，在GaAs表面形成近似三角形的电子势阱。当势阱较深时，表面形成近似三角形的电子势阱。当势阱较深时，电子基本上被限制在势阱宽度所决定的薄层（电子基本上被限制在势阱宽度所决定的薄层（约约）内。这样的电子）内。这

35、样的电子系统被称为二维电子气（系统被称为二维电子气（2DEG）。）。5.9异质异质MESFET结和结和HEMTJFETJFET和和MESFETMESFETHEMT的特点：的特点：2DEG和和供供应应自自由由电电子子的的N+-AlGaAs层层之之间间夹夹着着不不掺掺杂杂AlGaAs的的薄薄层层，从从而而基基本本上上不不受受电电离离杂杂质质散散射射，迁迁移移率率显显著著增增加加。比比体体材材料料的的电电子子迁迁移移率率高高得得多多。GaAs不不掺掺杂杂，也也是是为为了了避避开开陷陷阱阱内内电电离离杂杂质质散散射射。这这种种器器件件依依靠靠迁迁移移率率很很高高的的2DEG导导电电，具具有有更更大大的

36、的工工作作速速度度和和更更高高的的截截止止频频率率。因因此此，这这种种结结构构的的MESFET常常称称为为2DEG场场效效应应晶晶体体管管（TEGFET）或或调调制制掺掺杂杂场场效效应应晶晶体体管管（MODFET）或或选选择择掺掺杂杂异异质质结结晶晶体体管管。前前者者说说明明这这种种器器件件高高频频，高高速速的的缘缘由由是是电电子子迁迁移移率率高高，后后者者强强调调得得到到高高迁迁移移率率的的方方法法是是调调制制掺掺杂杂或或者者说说选选择择掺掺杂。通常把这种器件称为高电子迁移率晶体管（杂。通常把这种器件称为高电子迁移率晶体管（HEMT）。）。（3）2DEG是指电子（或空穴）被限制在平行于界面的

37、平面内自由运动，而是指电子（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。势阱的深度受到栅偏压在垂直于界面的方向上受到限制。势阱的深度受到栅偏压的控制，故的控制，故2DEG的浓度（面密度）将受到的浓度（面密度）将受到的控制，从而器件的电流受到的控制，从而器件的电流受到的控制。的控制。5.9异质异质MESFET结和结和HEMTJFETJFET和和MESFETMESFET教学要求（不作考试要求）教学要求（不作考试要求）了解异质结了解异质结MESFET和和HEMT的基本结构和工作原理。的基本结构和工作原理。了解概念：二维电子气（了解概念：二维电子气（2DEG）、）、2DEG场效应晶体管（场效应晶体管（TEGFET）、）、调制调制掺杂场效应晶体管（掺杂场效应晶体管（MODFET）、）、选择掺杂异质结晶体管。高电子迁移率晶选择掺杂异质结晶体管。高电子迁移率晶体管（体管（HEMT）。）。5.9异质异质MESFET结和结和HEMT